5.8GHz 圓極化高增益射頻識別讀寫器天線的分析與設計

譚偉強, 唐 軍, 劉冀成, 唐 濤

(成都信息工程學院電子工程學院,四川成都610225)

0 引言

射頻識別(Radio Frequency IDentification,RFID)是一種通過無線射頻方式進行非接觸的雙向數據通信并對目標加以識別以獲取相關數據的自動識別技術。電子不停車收費系統(Electronic Toll Collection,ETC)采用微波有源射頻識別技術來完成汽車與自動收費站之間的無線數據通信。目前國際上的電子不停車收費系統采用的頻段主要有3種:915MHz、2.4GHz、5.8GHz,其中前兩個頻段在醫療衛生,無線通信和科研等領域應用廣泛,頻率重復使用現象嚴重,相對前兩個頻段來說5.8GHz頻段具有背景噪聲小,數據傳送效率高,并且中國已在2007年批準將該頻段應用于電子不停車收費系統(GB/T 2.851.1-2007)[1]。

射頻識別系統由讀寫器天線,電子標簽和計算機通信網絡組成,其中讀寫器天線發射電磁能量激活標簽實現數據傳輸并向標簽發出指令,同時也要接收來自標簽的信息。由于標簽天線一般為線極化,且增益都比較低,為了能夠讀取具有不同極化特性的電子標簽信息和盡可能實現讀寫器與標簽之間的最大信號能量傳輸,要求讀寫器天線具有圓極化和高增益等特點。近年來,研究者提出了多種不同結構的RFID讀寫器天線,如折疊偶極子天線,平面環形天線,平面倒F天線等[2-4]。文獻[5]提出的天線體積較大,并且采用巴倫饋電方式,增加了設計成本;文獻[6]提出的天線帶寬較窄且增益太小,一定程度上限制了其使用范圍;文獻[7]設計的天線結構相對復雜,對加工工藝要求較高,增加了實際應用成本。文中設計了一種可應用于電子不停車收費系統中的圓極化高增益RFID讀寫器天線,具有體積小,成本低,結構簡單,易于制作等特點。通過對天線參數的分析和優化,最終確定了具有最優參數的天線結構,并制作出樣品。實際測試結果顯示該天線能夠滿足ETC使用需要,具有實際應用價值。

1 天線設計與分析

1.1 圓極化理論

微帶天線具有結構簡單,易于實現小型化和圓極化等特點,在射頻識別系統中應用廣泛。矩形微帶貼片天線可以看成是一段寬為 W、長為L的傳輸線,選取較大的微帶天線寬度對頻帶寬度、輻射效率和阻抗匹配都有好處。但為了防止高次模引起場的畸變,寬度 W＜W0應選以下范圍[8]:

其中c為真空中光速,fR為天線諧振頻率,λ0為空氣中的波長,εr為基板的相對介電常數,εe為有效介電常數,h為基板的厚度,λg為傳輸線的波導波長。矩形微帶天線的長度L在理論上小于0.5λg。

另外,微帶天線實現圓極化的關鍵是要激勵起兩個極化方向正交、幅值相等、相位相差90°的線極化波,這樣瞬時電場矢量端點軌跡構成一個圓。實現圓極化輻射常用以下兩種方法:選擇合適的饋電方式或選擇合適的輻射單元形狀。常用的圓極化饋電方式有多饋電法和單饋電法,但是采用多饋電方式實現圓極化的方法大多需要復雜的移相網絡和功率分配結構[9],相對比較復雜,所以采用簡單易行的單饋電方式。通過調節輻射單元形狀也是實現天線圓極化重要手段,已有文獻作了相關研究:包括三角形、正方形、圓形、圓環形、正五邊形、橢圓形等[10-12]。討論的方法是通過在方形輻射單元上切角引入幾何微擾,即附加簡并模分離單元,使簡并正交模的諧振頻率產生分離。當前的圓極化微帶天線多采用對稱等腰直角三角形切角的方法[13],從工程應用角度出發,采用更易加工和調整的非對稱正方形切角的方法來實現圓極化。

1.2 天線結構

文中設計的讀寫器天線結構如圖1所示,其中圖1(a)為俯視圖、圖1(b)為剖面圖,主要由3部分組成:上表面為切角的方形輻射單元;中間為厚度h=3mm的Roger5880介質基板,其相對介電常數εr=2.2、電損耗角正切值tanδ=0.009;下表面為邊長為 a的方形金屬反射板,天線采用同軸式探針饋電方法。

1.3 參數分析

影響天線性能指標的參數有:方形輻射單元邊長 W,輻射單元上的切角深度r,基板邊長b和厚度h,反射板邊長a、饋電點位置Px和Py。通過調整基板的厚度和反射板尺寸,可以使輻射單元和反射板產生共模,提高天線增益;在確定合適的饋電點位置后,輻射單元的尺寸對天線的回波損耗(S11)影響較大,切角深度對天線的軸比影響較大。參數分析將揭示 W、r、Px和Py這些變量對天線性能的影響。

根據式(1)～(3)可以得出諧振于5.8GHz方形微帶天線的輻射單元W的初始值為20mm。在切角深度和饋電點位置確定的情況下,改變方形輻射單元的尺寸對天線回波損耗的影響如圖2所示。從圖2可以看出天線的諧振頻率將會隨著輻射單元的增大而減小。

圖1 讀寫器天線結構圖

圖2 輻射單元尺寸對S11的影響

圖3 不同切角深度對 S11的影響

最后,保持輻射單元尺寸和饋電點位置一定,考察切角深度對天線性能的影響。圖3給出了不同切角深度對應的天線回波損耗,從圖3可以看出,切角深度對天線回波損耗的影響較小。另外,饋電點位置對天線的諧振頻點也有一定的影響,保持輻射單元尺寸和切角深度不變,圖4給出了不同饋電點位置對應的天線回波損耗。

由于該天線的圓極化是通過切角實現的,所以切角深度將直接決定天線的軸比。圖5為切角深度r分別為3.4mm,3.8mm,4.2mm,4.6mm,5.0mm時天線對應的軸比,從圖5可以看出:如果切角深度太大,天線的諧振頻點將會發生偏移,而切角深度太小,天線在工作頻段內將不能實現圓極化。

圖4 不同饋電點對S11的影響

圖5 不同切角深度對AR的影響

在小型化微帶天線設計過程中,各個參數互相制約、互相影響,參數分析將有助于天線結構尺寸的最終確定。通過反復比較以及綜合考慮各參數對天線總體性能的影響,最終確定的天線具體參數如表1所示。

表1 天線具體參數

圖6 天線實物

2 結果與測試

依據表1所示的天線尺寸,加工出天線樣品如圖6所示,使用R&S ZVB矢量網絡分析儀(10MHz～20GHz)對其回波損耗進行了測試,圖7中給出回波損耗實測與仿真結果的對比,可以看出該天線樣品的諧振點有所偏移(稍微偏低,約為5.75GHz),工作帶寬(5.50～6.10GHz)與仿真結果(5.55～6.17GHz)基本吻合。

圖7 實測與仿真S11對比圖

圖8 5.8GHz增益方向圖

圖8給出該天線在5.8GHz的輻射方向圖,可以看出,該天線的最大增益可達8.27dB;圖9給出了該天線在整個工作頻段內的軸比和增益圖,可以看到在整個工作頻帶內,其軸比(＜3dB)帶寬為140MHz(5.71～5.85GHz),并且其增益均在8dB以上。圖10給出該天線的輸入阻抗圖,在5.8GHz諧振點處,天線的輸入阻抗為49.21歐姆,能夠實現天線與同軸饋電之間的輸入阻抗匹配,實現信號的最大傳輸。

圖9 工作頻帶內的增益和軸比圖

圖10 5.8GHz輸入阻抗圖

3 結束語

設計了一種用于ETC系統的圓極化高增益RFID讀寫器天線,天線的整體尺寸僅為30×30×4 mm3,其實測工作帶寬可達600MHz,軸比(＜3dB)帶寬約為140MHz,且在整個工作帶寬內,天線具有比較穩定的輻射特性(增益保持于8dB以上)。最后對樣品天線進行了測試,測試結果與分析仿真結果基本吻合。綜合考慮天線的各種性能指標,可以滿足電子不停車收費系統的要求,具有實際的應用價值。

致謝:感謝成都信息工程學院科研項目與科研人才基金(KYTZ201211,CKF201103,J201202)對本文的資助

[1] 中華人民共和國國家標準GB/T 20851.1-2007.

[2] Ahmed Toaha Mobashsher,Moh Tariqul Islam.A novel high-gain dual-band antenna for RFID reader applications[J].IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,2010,(9):653-656.

[3] X He,S Hong,H Xiong.Design of a novel high-gain dual-band antenna for WLAN applications[J].IEEE Antennas Wireless Propagation Letters.,2009,(8):798-801.

[5] 楊倩,張小苗,白雪,等.5.8GHz高增益圓極化方形四環天線的研究[J].電波科學學報,2010,(25)2:368-371.

[6] 姜黎黎,林鑫,廖斌.ETC系統OBU上5.8GHz圓極化天線小型化研究[J].艦船電子工程,2009,(29)1:85-89.

[7] J I Moon,D U Sim,S O.Park Compact PIFA for 2.4-5GHz dual ISM-band applications[J].electronics letters,2004,(40)14.

[8] 倪國旗,余白平,梁軍.一種改進型微帶貼片八木天線的設計[J].電訊技,2011,(51)10:63-68.

[9] 易敏,李書芳.一種新型射頻識別讀寫器天線的仿真與設計[J].系統仿真學報,2009,(21)10:3123-3127.

[10] Choon Sae Lee,Nalbandian V.Planar circularly polarized microstrip antenna with a single feed[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions.1999,(47)6:1005-1007.

[11] Suwalak R,Phongcharoenpanich C.Circularly polarized truncated planar with single feed for UHF RFID reader[D].Communications,2007.APCC.Asia-Pacific Conference on.Bangkok.2007:103-106.

[12] Nasimuddin,Esselle K.P.Verma A.K.Wideband High-Gain Circularly Polarized Stached Microstrip Antennas With an Optimized C-Type Feed and a Short Horn[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions,2008,(56)2:578-581.

[13] Zhi Ning Chen,Xianming Qing,Hang Leong Chung A Universal UHF RFID Reader Antenna[J].IEEE Transactions on microwave theory and techniques,2009,(57)5:213-218.