一種小型化定向輻射RFID閱讀器天線設(shè)計(jì)

丘榮文，袁家德

(福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)一般由閱讀器、 標(biāo)簽和后端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成[1]，其中閱讀器與標(biāo)簽之間通信是依靠天線來進(jìn)行電磁波的發(fā)射和接收，天線的性能決定著標(biāo)簽的靈敏度及閱讀器的讀取距離和效率[2]. 隨著RFID的廣泛應(yīng)用，對(duì)定向輻射的小型化RFID天線提出了更高的要求. 近年來，研究者們提出多種閱讀器天線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)定向輻射和小型化. 文獻(xiàn)[3]提出Yagi-Uda天線通過兩層環(huán)形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)天線的定向輻射； 文獻(xiàn)[4]提出一種高選擇性、 低交叉極化的寬帶高增益貼片； 文獻(xiàn)[5]采用四層導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和金屬背腔來提高RFID閱讀器天線的前后比； 文獻(xiàn)[6-7]設(shè)計(jì)了小型圓極化的RFID閱讀器天線； 文獻(xiàn)[8-9]通過在貼片上刻蝕槽并加載耦合帶減小天線尺寸； 文獻(xiàn)[10-12]通過設(shè)計(jì)饋電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高增益天線. 然而文獻(xiàn)[3-5]所提天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 不利于批量生產(chǎn)； 文獻(xiàn)[6-7]易于集成且體積較小，但天線增益和效率較低，帶寬較窄； 文獻(xiàn)[8-12]中天線所占面積較大, 不適用于移動(dòng)終端設(shè)備.

本研究設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于UHF RFID閱讀器的小型化定向環(huán)形天線. 天線由輻射面和接地面雙層結(jié)構(gòu)組成，輻射貼片彎折，并在環(huán)形內(nèi)部加載兩個(gè)短路單元來減小輻射面所需要尺寸，通過在接地面上開圓環(huán)形槽減小其所需尺寸，從而實(shí)現(xiàn)天線總尺寸的縮減.

1 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示. 圖1(a)為天線的側(cè)視圖，從圖中可以看出，天線由輻射面和接地面組成，分別印制于上層介質(zhì)板的上表面和下層介質(zhì)板的下表面，兩層介質(zhì)板均為厚度0.8 mm的FR4(εr=4.4)介質(zhì)板，通過4個(gè)尼龍螺絲固定，兩層介質(zhì)板間為空氣. 圖1(b)為輻射貼片，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)彎折的環(huán)形金屬面印制在上層介質(zhì)基板的上表面，通過印制在上層介質(zhì)板下表面的一條變寬度微帶線耦合饋電，環(huán)形內(nèi)部有兩個(gè)大小相等的矩形寄生貼片通過探針短接地. 微帶環(huán)形天線最小的尺寸對(duì)應(yīng)于周長(zhǎng)是1波長(zhǎng)諧振模式，則方環(huán)形天線工作在基模下的邊長(zhǎng)為四分之一介質(zhì)波長(zhǎng)，計(jì)算公式為：

(1)

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of the proposed antenna

其中：c為自由空間波的傳播速度；fn為中心頻率；εeff為有效介電常數(shù)；λg為介質(zhì)中波長(zhǎng). 有效介電常數(shù)εeff指的是多層混合介質(zhì)總有等效相對(duì)介電常數(shù)，計(jì)算公式為：

(2)

其中：εr1和εr2分別為空氣層與介質(zhì)板的介電常數(shù)；h和h′分別為空氣層和介質(zhì)板的厚度.

圖1(c)為天線的接地面，印制于下層介質(zhì)板的下表面，其結(jié)構(gòu)為一開圓環(huán)形槽的矩形金屬面. 天線總尺寸為0.275λg× 0.275λg× 0.05λg(λg為中心頻率915 MHz對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)). 采用電磁仿真軟件ANSYS HFSS 18對(duì)天線性能進(jìn)行仿真優(yōu)化，天線最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示.

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸

2 天線設(shè)計(jì)與分析

2.1 模型分析

圖2(a)、 (b)和(c)分別給出了指向環(huán)形輻射貼片的左上方、 正上方和右上方三個(gè)方向的饋電結(jié)構(gòu)圖，其中圖2(c)為所設(shè)計(jì)天線的饋電結(jié)構(gòu).

不同饋電位置對(duì)天線S11的影響如圖3所示. 從圖中可以看出，當(dāng)饋線指向環(huán)形貼片的左上方時(shí)，S11≤-10 dB的阻抗帶寬很窄； 當(dāng)饋線指向環(huán)形貼片的正上方時(shí)，饋線的長(zhǎng)度變短導(dǎo)致諧振頻率向高頻偏移； 當(dāng)饋線指向右上方時(shí)，S11≤-10 dB的阻抗帶寬覆蓋了RFID的工作頻段(900～930 MHz), 從而說明可以調(diào)節(jié)饋電的位置實(shí)現(xiàn)天線的阻抗匹配.

圖2 天線不同饋電位置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Geometry of different feed position

圖3 不同饋電位置對(duì)天線S11的影響Fig.3 Variation of S11 with different feed position

圖4(a)和(b)分別給出了天線接地面不開槽與開槽的結(jié)構(gòu)圖. 圖4(a)中天線1的接地面是一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)t的矩形金屬面，圖4(b)中天線2的接地面是一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2的矩形金屬面并在其內(nèi)部開一圓環(huán)形槽，天線1和2具有相同的輻射貼片和剖面高度h.

圖4 天線接地面不開槽與開槽結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Geometry of the ground without and with the slot

圖5給出了天線1和天線2方向圖的對(duì)比，從圖中可以看出，當(dāng)接地面尺寸相同(Lt=L2=90 mm)時(shí)，天線2的定向輻射性能明顯好于天線1； 增大接地面尺寸可增大天線1的定向性，當(dāng)Lt=150 mm時(shí)，天線1方向圖的前后比與天線2接近，即150 mm天線1接地面邊長(zhǎng)和90 mm天線2接地面邊長(zhǎng)產(chǎn)生方向圖的定向性接近，從而說明通過在接地面上開槽可以有效減小接地面所需要的尺寸. 其原理可以解釋為開槽在接地面上形成外環(huán)和內(nèi)導(dǎo)體平面，接地面外環(huán)電流與環(huán)形輻射貼片上電流相互作用，通過引向天線定向性原理以及接地面上內(nèi)圓形平面的輔助作用，在接地面尺寸僅略大于輻射貼片尺寸情況下，實(shí)現(xiàn)了天線2較好的定向輻射性能.

2.2 參數(shù)分析

天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化均會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生影響，本研究?jī)H討論對(duì)天線性能影響較為明顯的兩個(gè)參數(shù)，分別為寄生單元的長(zhǎng)度L3和接地面圓環(huán)槽的外半徑R2. 矩形寄生單元長(zhǎng)度L3對(duì)天線S11的影響如圖6所示. 從圖中可以看出，當(dāng)L3從17增大到23 mm時(shí)，諧振頻率向低頻偏移，表明L3的變化可以調(diào)整天線的工作頻率范圍，原因是變大的L3增加了矩形寄生貼片與環(huán)形輻射貼片的等效耦合電容.

圖5 天線1和天線2方向圖Fig.5 Radiation patterns of the antenna 1 and antenna 2

圖6 L3對(duì)天線S11的影響Fig.6 Variation of S11 with different lengths of L3

圖7(a)和(b) 分別給出了R2對(duì)天線S11的影響. 從圖中可以看出，當(dāng)R2從42 mm增大到44 mm時(shí)，其工作頻率范圍沒有發(fā)生明顯變化，但其方向圖的定向性變化明顯，當(dāng)R2=43 mm時(shí)，方向圖后瓣最小，表明可以通過調(diào)整外環(huán)尺寸來優(yōu)化天線的定向性.

圖7 R2對(duì)天線S11和方向圖的影響 Fig.7 Variation of S11 and radiation pattern curves with different lengths of R2

3 結(jié)果分析

根據(jù)仿真優(yōu)化尺寸制作了天線實(shí)物，如圖8所示. 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，在微波暗室中測(cè)試了天線的方向圖, 如圖9所示. 從圖9可以看出，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，S11≤-10 dB的阻抗帶寬為10.2%(890～986 MHz)，工作頻率900 MHz時(shí)的增益為4.4 dB.

圖8 天線實(shí)物圖Fig.8 Fabricated prototype of the proposed antenna

圖9 天線仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比圖Fig.9 Measured and simulated results of S11 and radiation patterns at 900 MHz

表2給出已發(fā)表文獻(xiàn)中所提出天線和本文設(shè)計(jì)天線的性能對(duì)比，本天線相比于文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[13]中天線具有較小尺寸，相比于文獻(xiàn)[6]中天線具有較寬的帶寬，相比于文獻(xiàn)[7]中天線具有較高的增益. 可以看出本天線具有一定的優(yōu)勢(shì).

表2 各天線的性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種應(yīng)用于UHF RFID閱讀器的小型化定向性環(huán)形天線. 采用彎折輻射貼片并在環(huán)形內(nèi)部加載兩個(gè)短路單元來減小輻射面所需要尺寸，通過在接地面上開圓環(huán)形槽以減小其實(shí)現(xiàn)天線定向性所需尺寸，從而實(shí)現(xiàn)天線總尺寸的縮減. 天線擁有良好的定向輻射特性，較小的尺寸，在某些特定應(yīng)用環(huán)境中具有較好的應(yīng)用前景.