一種新穎的UHF RFID手持設(shè)備PCB單極天線(xiàn)設(shè)計(jì)

俞正明

【摘 要】本文結(jié)合單極天線(xiàn)和套筒天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種PCB單極天線(xiàn)，克服了普通PCB單極天線(xiàn)地板對(duì)天線(xiàn)指標(biāo)的影響，通過(guò)改善端口阻抗及增加帶寬，使其能工作在860MHz～960MHz的UHF RFID頻段。同時(shí)，該天線(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便的特點(diǎn)，非常適合安裝在UHF RFID手持設(shè)備上。

【關(guān)鍵詞】單極天線(xiàn) 套筒天線(xiàn) RFID

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TN82【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0028-02

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)及RFID技術(shù)的發(fā)展與普及，越來(lái)越多的應(yīng)用需要具有UHF RFID讀寫(xiě)功能的手持設(shè)備。UHF RFID天線(xiàn)的性能、體積和成本是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)是一款成本低、加工方便，且?guī)挐M(mǎn)足UHF RFID（860MHz～960MHz）工作帶寬的天線(xiàn)。

傳統(tǒng)的單極天線(xiàn)是豎直的具有四分之一波長(zhǎng)的天線(xiàn)[1]。該天線(xiàn)安裝在一個(gè)接地平面上，它可以是實(shí)際地面，也可以是人造接地面上。手機(jī)內(nèi)置天線(xiàn)中也常采用變形單極子天線(xiàn)。普通PCB單極天線(xiàn)地板對(duì)天線(xiàn)指標(biāo)的影響非常大，有文獻(xiàn)專(zhuān)門(mén)對(duì)地板長(zhǎng)度對(duì)天下的影響做過(guò)研究，結(jié)果如圖1所示[2]。

本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)克服了傳統(tǒng)PCB單極天線(xiàn)對(duì)地板長(zhǎng)度的依賴(lài)，具有工作頻率穩(wěn)定、端口駐波特性好、可用同軸電纜饋電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 理論分析

本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)為了能達(dá)到阻抗和帶寬的要求，采用天線(xiàn)加頂?shù)姆椒ㄌ岣咻椛潆娮?。為增加垂直部分的有效高度，可以在天線(xiàn)頂部加裝水平部分使天線(xiàn)類(lèi)似倒L型。當(dāng)水平部分和垂直部分之和接近時(shí)，有效高度最大，同時(shí)可以使天線(xiàn)的輸入電抗分量大大減小。設(shè)計(jì)中借鑒了套筒單極天線(xiàn)的工作原理，在單極天線(xiàn)的底部套上接地外壁，與普通單極子天線(xiàn)類(lèi)似。套筒單極子天線(xiàn)的總長(zhǎng)度通常取為工作頻段下限頻率的四分之一波長(zhǎng)，即λ/4。在總長(zhǎng)度確定的情況下，天線(xiàn)的電性能主要取決于上輻射體長(zhǎng)度與套筒接地外壁的長(zhǎng)度之比，有文獻(xiàn)認(rèn)為2.25 是套筒單極子天線(xiàn)的最佳長(zhǎng)度比[3]。

本文的天線(xiàn)設(shè)計(jì)仿真采用矩量法。矩量法是一種將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組的方法，這種方法對(duì)于求解微分方程和積分方程均適用。在天線(xiàn)工程中，當(dāng)天線(xiàn)的最大尺寸不大于兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，非常適合于用矩量法。

假設(shè)導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)徑與波長(zhǎng)相比非常細(xì)，導(dǎo)線(xiàn)上的電流只沿導(dǎo)線(xiàn)的軸線(xiàn)流動(dòng)，則線(xiàn)上電流J產(chǎn)生的電場(chǎng)Es可以表示為：

頻段內(nèi)。然后再調(diào)整參數(shù)d改變套筒與輻射體的長(zhǎng)度比，這樣也很容易地將天線(xiàn)的駐波特性調(diào)整好。

4 參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的天線(xiàn)版圖如圖4所示，其中的參數(shù)具體值為：a=6mm、b=35.3mm、c=45.3mm、d=31.6mm、e=5.5mm、f=62.4mm、g=2mm。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的天線(xiàn)S11參數(shù)如圖5所示，工作頻段860 MHz～960MHz內(nèi)天線(xiàn)的駐波都在1.5以下。

通過(guò)觀察天線(xiàn)的2D和3D輻射圖可以看到，天線(xiàn)在一個(gè)方向上有較大的輻射，增益達(dá)到了5dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合單極天線(xiàn)和套筒天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種PCB單極天線(xiàn)，并且給出了具體的PCB版圖。從仿真結(jié)果可以看出達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王元坤， 李玉權(quán) 線(xiàn)天線(xiàn)的寬頻帶技術(shù)〔M ] 西安 西安電子科技大學(xué)出版社，1995

[2] 朱文濤 L形地板結(jié)構(gòu)平面單極天線(xiàn)的研究 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

[3] Poggio A J，Mayes P E. Pattern Bandwidth Optimization of the Sleeve Monopole Antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat，1966

[4] K.Fujimoto A.Henderson，K.hirasawa J.R.James Small Antennas 國(guó)防工業(yè)出版社 1988