共面波導饋電平面小型化超寬帶天線設計

周 兵，鄒傳云

(西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

目前，射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術被廣泛應用于軍事/物流跟蹤以及新零售等眾多領域。無源超高頻無芯片RFID標簽憑借其更遠的傳輸距離、更大的數據容量、更快的閱讀速度等優勢，正逐步取代傳統的光學二維碼[1]。無源超高頻無芯片射頻識別標簽以標簽結構的差異，區分不同物體的信息。不同結構標簽的反向散射信號不同。其差異性在頻域上表現為在特定頻率點是否有諧振波峰或波谷出現[2]。若無芯片射頻標簽以50 MHz的頻率分辨率在頻域進行編碼[3]，頻率帶寬將直接影響標簽的編碼容量。使用這種編碼方式的高容量無芯片RFID標簽，可用于編碼帶寬較寬的編碼。因此，標簽閱讀器天線也應該具有較寬的頻帶。

現有的無線窄帶通信系統，如全球微波互聯網接入(world interoperability for microwave access,WiMAX)、無線局域網(wireless local area network,WLAN)系統，會對無芯片RFID標簽閱讀器產生干擾，導致讀取的信息出現錯誤。因此，RFID標簽閱讀器天線必須具備濾波(陷波)功能，從而降低現有窄帶系統的干擾。近年來，涌現了許多有陷波特性的超寬帶(ultra-wideband,UWB)天線。其中大部分是在單極子天線的基礎上進行改進的。其改進方法大致可以歸為兩類：第一類是在輻射貼片或者地板上開U型槽、C型槽[4-7]；第二類是在輻射單元或地板附近引入寄生單元[8-9]。這些天線存在尺寸大、結構復雜、制作成本高、難以集成等缺點。

本文在文獻[9]的基礎上進行改進，把天線反面的寄生U型線條改為在輻射單元上開U型槽，從而在保持天線整體尺寸不變的條件下實現了陷波功能。該設計省去了天線兩面敷銅、過孔設計等復雜過程，使天線在保持良好陷波特性的同時，結構更緊湊、制作更簡單。

1 天線結構和設計

本文的天線采用特征阻抗為50 Ω的共面波導饋電，其結構如圖1所示。圖1中，深色為金屬部分，淺色為介質基板；W0為中心導帶的寬度(即饋線寬度)，s為槽寬，W為介質板的寬度，h為介質板的厚度，εr為介質的相對介電常數。

圖1 共面波導結構圖Fig.1 Structure of coplanar waveguide

共面波導特征阻抗的計算公式可由式(1)～式(4)[10]計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：εr、εeff、h、W、W0、s分別為相對介電常數、有效介電常數、介質板厚度、介質板寬度、饋線寬度以及饋線與地的間隙；K(k)、K′(k) 分別為第一類橢圓完全積分函數及其補充函數；k為自變量。

應用以上公式，可計算得出：對于特征阻抗為50 Ω的共面波導，當其饋線寬度W0=2.6 mm時，饋線與地的間隙s=0.3 mm。天線結構如圖2所示。其中深色部分為金屬，淺色部分為介質。

圖2 天線結構示意圖Fig.2 Structure of the antenna

介質基板為聚四氟乙烯材質，相對介電常數為4.4，損耗角正切tanδ=0.02，厚度為1.6 mm，通過在輻射貼片上開兩個U型槽產生3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz陷波。根據電路理論分析，開槽(加載縫隙)相當于引入電感和電容的并聯電路，原有電路因為并聯諧振點而造成阻抗失配，形成大的反射系數[11]。一般槽線的長度可以由式(5)計算得出[12]。

(5)

式中：fnotch、c、L分別為陷波頻率、自由空間的光速、槽線的長度。

通過式(5)可計算出當陷波中心頻率為3.5/5.5 GHz時，對應的槽線長度大約為32.9/20.9 mm。這個結果只是一個大致的范圍，最終槽線的尺寸通過仿真優化才能得出。最終優化后的天線參數如表1所示。

表1 天線參數Tab.1 Antenna parameters

2 仿真結果及分析

天線在無槽、只開外槽、只開內槽、同時開2個槽這4種情況下，回波損耗(S11)及電壓駐波比(voltage standing-wave ratio,VSWR)對比如圖3、圖4所示。。

圖3 回波損耗對比圖Fig.3 Comparison of return loss

圖4 電壓駐波比對比圖Fig.4 Comparison of voltage standing-wave ratio

由圖3、圖4可知：無槽時，在3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz的頻段范圍內，S11和VSWR均比較平穩，天線沒有陷波特性，且在2.5～16 GHz的頻率范圍內，S11小于-10 dB，VSWR小于2；只開外面的U型槽時，在3.2～3.8 GHz 頻段范圍內，S11向上凸起大于-10 dB，VSWR也大于2，天線具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz頻率范圍內，天線沒有陷波特性；只開里面的槽時，在 4.98～6.1 GHz頻率范圍內，S11最大值接近0 dB，VSWR比較大，可見天線在此頻段具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz天線沒有陷波特性；同時開2個槽時，天線在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz的頻率范圍內，S11大于-10 dB，VSWR大于2，天線具陷波特性，在其他頻率范圍內，S11的值都要小于-10 dB。由此可見，通過調整U型尺寸，很容易實現不同頻段的陷波特性。

天線增益仿真如圖5所示。

圖5 天線增益仿真圖Fig.5 Simulated gain of the antenna

由圖5可以看出，天線無槽時，在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz頻率范圍內，天線的增益平穩，沒有發生突變；天線僅開外槽時，在3.2～3.8 GHz頻率范圍內的天線增益突然減小，其他頻率范圍內的天線增益保持平穩；天線僅開內槽時，4.98～6.1 GHz頻率范圍內的天線增益急劇變小，其他頻率范圍內增益沒有突變；天線開內槽和外槽時，在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz頻率范圍內的天線增益突然變小，明顯小于其他頻帶內的增益，天線表現出了明顯的陷波特性。天線的最大增益接近7.29 dB。

天線輻射方向對比圖如圖6所示。由圖6可以看出，在較低頻段，天線的最大輻射方向在垂直于天線平面的方向，即天線平面的正上方和正下方，且陷波對方向圖沒有產生太大的影響。天線輻射方向圖在高頻段范圍發生了一定的畸變。

圖6 天線的輻射方向對比圖Fig.6 Comparison of radiation direction of antenna

3 測試結果

為了驗證所設計天線的正確性，對天線進行實物加工與制作。實際的天線結構緊湊，整體尺寸僅為30 mm×26 mm×1.6 mm，天線只有正面有敷銅，地板與輻射貼片在同一個平面。采用矢量網絡分析儀測試了天線的反射系數，其結果如圖7所示。

圖7 測量及仿真結果Fig.7 Measure and simulate results

由圖7可以看出，在4 GHz及5.8 GHz附近，曲線向上凸起，S11的值比較大，天線有明顯的陷波特征，測量值與仿真值一致性比較好。隨著頻率的升高，測量與仿真出現了較大的偏差，波形上失真，頻率也有偏移。出現失真的原因在于：FR-4材質的高頻性能差，發生色散；sma接頭與天線的饋線處焊接不牢固；試驗室的電磁環境復雜，對天線的影響比較大等。

4 結束語

通過在天線的輻射貼片上開U型槽，產生阻抗失配，形成陷波特性。仿真和測試結果表明，天線過濾WiMAX及WLAN頻段的信號，使系統免受這兩個頻段信號的干擾。且天線的帶寬為13.5 GHz，非常適合作為無芯片射頻識別標簽閱讀器天線。天線采用共面波導饋電，整體尺寸為30 m×26 mm×1.6 mm，結構緊湊，制作簡單，具有一定的實用價值。

參考文獻:

[1] FINKENZELLER K.RFID handbook:fundamentals and applications in contactless smart cards and identification[M].Hoboken:John Wiely & Sons Ltd.,2003.

[2] 胡偉,鄒傳云,徐利.開槽圓環型無芯片射頻識別標簽結構的設計[J].電子技術應用,2013,39(9):116-119.

[3] VENA A,PERRET E,TEDJINI S.Design of compact and auto-compensated single-layer chipless RFID tag[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2012,60(9):2913-2924.

[4] 王善進,雷瑞庭,劉華珠,等.一款結構簡單的雙陷波超寬帶天線[J].電子器件,2016,39(5):1048-1051.

[5] 湯恒亮,李繼嵐,張昕.一種具有雙陷波特性的超寬帶天線設計[J].電子世界,2016(11):177-178.

[6] 竇碩鵬,潘仲明.一種新型UWB雷達天線設計[J].微波學報,2016(增刊1):194-196.

[7] 楊友良,蘇立虎,孟凡偉,等.礦用UHF RFID閱讀器分形天線的設計[J].自動化儀表,2014,35(1):63-66.

[8] 南忠良,盧修竹,王以忠,等.基于MF RC500的RFID射頻讀寫器設計[J].自動化儀表,2007,28(9):21-24.

[9] EMADIAN S R,GHOBADI C,NOURINIA J,et al.Bandwidth enhancement of CPW-Fed circle-like slot antenna with dual band-notched characteristic[J].IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters,2012,11(1):543-546.

[10]ZHOU H J,SUN B H,LIU Q Z,et al.Implementation and investigation of U-shaped aperture UWB antenna with dual band-notched characteristics[J].Electronics Letters,2008,44(24):1387-1388.

[11]宋志杰,梁建剛,張榮江.新型縫隙加載陷波三頻微帶天線[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2014(4):61-64.

[12]CHANG K.Encyclopedia of RF and Microwave Engineering[M]// Encyclopedia of RF and microwave engineering.New Jersey:John Wiely & Sons Ltd.,2005.