一種用于射頻識別閱讀器的雙頻寬帶圓極化天線

王麗黎 高智勇 杜忠紅 徐亞妮

①(西安理工大學自動化與信息工程學院 西安 710048)

②(西安市無線光通信與網絡研究重點實驗室 西安 710048)

1 引言

射頻識別技術是一種無接觸式的自動識別技術，它利用電磁波的空間耦合來實現對目標物品的識別[1]，目前已經廣泛應用于物流銷售、交通運輸、管理等諸多領域。在無線通信系統中由于多徑效應的影響，對于信號有著極大的干擾，而圓極化天線則具有抗衰減、抗多徑等優點[2]，具備雙頻段甚至多頻段[3,4]接收和發送電磁波功能的天線，可以取代多個獨立頻段工作的天線，減少天線之間的相互干擾。目前常見的雙頻圓極化天線普遍存在尺寸大、帶寬窄等缺點。而單極子天線[5,6]能夠在寬頻帶以及多頻段上提供令人滿意的輻射性能，并且制作簡單，成本低廉。這使得印刷單極子天線擁有一個十分廣闊的應用前景[7,8]。國際射頻識別(Radio Frequency IDentification, RFID)頻率劃分包括125 kHz(LF), 13.56 MHz(HF), 915 MHz(UHF), 2.45 GHz/4.8 GHz(ISM)[9]。在這些頻段中0.915 GHz和2.4 GHz由于具有高數據傳輸速率而更具吸引力。因此，許多學者對如何實現圓極化或者改善其相關性能做了許多的研究。文獻[10]設計了一款利用兩對交叉偶極子實現雙頻圓極化性能的天線，雖然該天線高低頻段的軸比帶寬分別達到了27.8%和32%，但是需要額外引入饋電網絡，整體結構較為復雜。文獻[11]則是通過在輻射貼片上蝕刻兩個互相垂直的矩形槽，分別引入低頻和高頻兩個諧振來形成圓極化，同時在接地面上蝕刻4個對稱的凹槽來改善軸比帶寬。此圓極化天線在兩個頻段的阻抗帶寬分別為2.6%和2%，3 dB軸比帶寬分別為5.25%和2%。文獻[12]提出了一種利用超表面作為輻射器，兩個傾斜放置的耦合饋電槽作為外部激勵源，來實現不同波段的圓極化，其高低頻段軸比帶寬較窄分別為2%和3%。文獻[13]提出了一款雙頻堆疊貼片天線，通過兩個橢圓環形貼片垂直放置，使其工作在兩個不同的頻段上，非對稱的短截線用于調整輸入阻抗匹配，整個天線的阻抗帶寬和軸比帶寬都較小。文獻[14]使用四重饋電網絡，通過共孔徑方法用于拓寬天線帶寬，但在UHF頻段內阻抗帶寬和軸比帶寬重合部分非常窄，且天線尺寸過大。文獻[15]提出了一種在矩形貼片上嵌入圓環槽的方法來實現雙頻圓極化，但兩個頻段軸比帶寬非常窄。文獻[16]通過激勵箭頭形狀的貼片和矩形貼片來實現兩個頻段的圓極化，高低頻段的軸比帶寬分別為11.2%和6.7%。

本文提出一種緊湊的雙頻寬帶圓極化天線，利用兩個單極子輻射貼片，實現天線的寬帶圓極化輻射，兩個輻射貼片分別獨立控制兩個頻段，通過在矩形輻射貼片上開槽改變電流路徑進一步拓展帶寬。天線設計簡單，能夠完全覆蓋超高頻(Ultra High Frequency, UHF)(840～960 MHz)和無線局域網(Wireless Local Area Networks, WLAN)(2.40～2.48 GHz)兩個頻段，并具有良好的輻射特性，可用作RFID閱讀器天線。

2 天線設計

2.1 天線結構

本文所設計的天線結構如圖1所示，天線介質基板采用介電常數為4.4的FR4，其正切損耗為0.02，介質基板厚度為0.8 mm。天線整體尺寸為0.92λ0×0.92λ0×0.006 4λ0。位于介質基板上層的是輻射單元和特性阻抗為50 Ω的微帶線，輻射單元由兩個折疊的單極子組成。介質基板下層則為一個等腰直角接地板。天線的詳細尺寸如表1所示。

表1 優化后的天線尺寸(mm)

圖1 天線結構圖

2.2 天線設計原理

輻射貼片和微帶饋線直接連在一起，介質的另一側為三角金屬地板。與傳統的微帶天線不同的是，單極子天線的金屬地板并沒有完全覆蓋介質的一側。蝕刻輻射貼片的介質的另一側沒有完全覆蓋金屬地板，只是半覆蓋，因此該單極子天線為雙向輻射。為了保證微帶線特性阻抗為50 Ω，有關微帶線計算公式如式(1)所示

其中，W為微帶線寬，T為走線的銅皮厚度，一般取35～50 μm，εγ為介質基板介電常數，H為介質基板厚度。輻射貼片由兩個單極子組成分別控制高低頻段的工作頻率，長度一般介于1/4介質導波波長和1/4自由空間波長之間[17]，即為式(2)所示

本設計中，對輻射貼片進行了折疊處理，使天線結構更加緊湊，同時延長了電流路徑。改變饋線和輻射貼片的位置，使天線表面存在兩種等幅正交的電流，產生正交的兩種模式，從而實現圓極化輻射。如圖2所示為1.1 GHz時(分別為0°, 90°,180°, 270°)的表面電流分布，在0°相位時，電流合成方向為以+x方向為主。90°相位時，電流合成方向以+y方向為主。180°相位時，電流合成方向以-x為主。270°相位時，電流合成方向以-y方向為主。電流在0°與180°, 90°和270°相比之下幅度相等方向相反，在一個周期內電流呈逆時針旋轉，因而該天線為右旋圓極化模式。

圖2 天線在1.1 GHz時的表面電流分布

2.3 天線參數優化

在天線設計過程中兩個單極子分別控制高頻部分和低頻部分，為了在高低兩個頻段獲得更好的天線阻抗帶寬和軸比帶寬，當在保持其他參數不變的情況下，對參數W3,W4以及L4進行優化仿真。

圖3展示了參數W3對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響。參數W3對阻抗帶寬特性的影響如圖3(a)所示，可以看出W3變化對天線的阻抗帶寬影響不是很明顯。從圖3(b)可以看出縫隙長度W3在低頻段和高頻段對天線的軸比帶寬均有較大的影響。當W3=13 mm時，在低頻1.0 GHz引入了一個新的諧振點，拓寬了軸比帶寬。在高頻段隨著W3的增加，天線的圓極化軸比帶寬得到了顯著的改善，當W3由11 mm增至12 mm時軸比帶寬變化尤為顯著。當W3＞13 mm時，高低頻段的軸比帶寬逐漸變窄。綜上，W3的變化同時改變了輻射模塊兩個單極子的長度，從而影響了天線高低頻的工作帶寬，當W3取13 mm時在高低兩個頻段獲得了最佳的圓極化性能。

圖3 參數W3對天線性能影響

進一步地，對參數W4進行了調節，圖4為參數W4對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響。如圖4(a)所示為W4對天線阻抗帶寬影響曲線，隨著W4從2 mm線性變化到4 mm，低頻段內3條曲線幾乎重合，高頻段內的截止頻率向高頻發生了輕微的移動，對天線的阻抗帶寬影響不是很大。如圖4(b)所示，隨著W4的增大，天線的低頻軸比帶寬有所增大，這是由于在低頻段內產生了一個新的諧振點，且諧振點右移。當W4＞4 mm時，低頻段內起始頻點右移，軸比帶寬逐漸變窄。在高頻段內，隨著W4的增加起始頻點左移使得軸比帶寬增大，但與高頻段帶寬變化相比增量變化較小，從整體來看W4的變化主要還是影響低頻段的軸比帶寬。綜上，在W4=4 mm時，通過仿真可以看出天線在低頻段擁有最佳的圓極化性能，且不影響高頻段的其他性能。

圖4 參數W4對天線性能影響

如圖5所示，在其他條件不變的情況下，通過改變L形單極子長度L4，觀察其對天線性能的影響。如圖5(a)所示，隨著L4的增大，反射系數曲線整體向低頻略微偏移，說明L4的變化對于天線的反射系數影響不大，不影響天線的阻抗帶寬。圖5(b)則表明隨著L4變大，在低頻段內起始頻點變化不大，截至頻點左移，導致低頻段內軸比帶寬減小；當L4=30 mm時低頻段軸比帶寬最大，而在高頻段內L4=30 mm時，截至頻點為2.47 GHz無法完全覆蓋高頻段范圍，L4從30 ～34 mm不斷增大時，整個高頻段的軸比帶寬不斷增大，當L4＞34 mm時，截至頻點左移帶寬減小。同時考慮到在低頻段內的軸比帶寬的減小，選擇L4=34 mm時，天線性能最佳，在高頻段擁有最佳的圓極化性能。

圖5 參數L4對天線性能影響

通過對以上參數的研究可以得出以下結論：

(1)改變參數W3的長度同時改變了兩個單極子的長度，從而控制高低兩個頻段的軸比帶寬。當W3取13 mm時在高低兩個頻段獲得了最佳的圓極化性能。

(2)改變參數W4的長度會在低頻段內引入一個諧振點，從而拓展低頻段帶寬。在W4=4 mm時，通過仿真可以看出天線在低頻段擁有最佳的圓極化性能，且不影響高頻段的其他性能。

(3)改變參數L4的長度會拓展高頻段的軸比帶寬。選擇L4=34 mm時，天線在高頻段獲得最佳性能。

3 測量結果分析

為了驗證上述分析的準確性，基于優化后的最優參數進行天線的制作并進行了測試，天線加工的實物圖和測試圖如圖6所示。利用E8361C矢量網絡分析儀測量天線的S參數，通過頻譜儀N9030A測量了天線的遠場輻射方向圖。天線測試使用兩款天線，分別作為收發天線，收發天線之間距離大約為200 m，在室外自然環境中利用N9030A頻譜儀測量天線輻射方向圖，測量過程中，一個天線被激勵，另一個天線接50Ω匹配負載。將天線固定在測試儀器上，儀器支撐架進行升降和旋轉，實現測試天線角度掃描。

圖6 天線實物和測試圖

圖7為天線仿真和實測結果對比圖，從圖7(a)可以看出通過仿真軟件模擬的高低頻段阻抗帶寬分別為48.6%(0.81～1.33 GHz)和49.8%(1.54～2.56 GHz)；實測的阻抗帶寬分別為49%(0.77～1.27 GHz)和47.5%(1.54～2.50 GHz)，在低頻段曲線與仿真結果相比向左平移，帶寬略微減小，高頻段與仿真曲線相比帶寬減少50 MHz。圖7(b)為天線仿真和實測的軸比曲線，天線仿真模擬的軸比帶寬分別為48%(0.82～1.34 GHz)和27.6%(1.94～2.56 GHz)；實測的軸比帶寬分別為46%(0.84～1.34 GHz)和24.2%(1.96～2.50 GHz)，可以看出實測曲線和仿真曲線趨勢大體一致。綜合而言，天線的測試結果和仿真結果基本吻合，只是存在一定的頻點偏移使得帶寬略有減小，產生該偏差的主要原因包括天線加工時的尺寸精度誤差、SMA接頭焊接以及測試環境當中所存在的電磁干擾。

圖7 天線實測和仿真對比圖

圖8、圖9給出了天線在0.9 GHz和2.4 GHz兩個頻點仿真和測試的遠場輻射方向圖。結果表明實測與仿真曲線基本一致，該雙頻圓極化天線具有良好的雙向輻射特性，在+Z方向上輻射右旋圓極化波，在-Z方向上輻射左旋圓極化波。

圖8 天線在0.9 GHz處仿真和測試輻射方向圖

圖9 天線在2.4 GHz處仿真和測試輻射方向圖

最后，將本文所設計的雙頻圓極化天線與其他類似設計的參考文獻進行比較，對比結果如表2所示，表中主要包括以下參數：IBWL和IBWH分別指低頻段和高頻段的天線阻抗帶寬，ABWL和ABWH分別指的是低頻段和高頻段的軸比帶寬，以及天線的尺寸。從表2可以看出與文獻[10]、文獻[11]、文獻[15]相比本文所設計的天線不僅尺寸上更緊湊且帶寬也更寬，與文獻[16]、文獻[18]相比本文所設計的天線在尺寸相近的情況下帶寬更寬。

表2 本文天線與參考文獻天線性能對比

4 結論

本文設計了一款可以通過兩個單極子分別控制高低兩個頻段的雙頻圓極化天線，通過調整單極子輻射貼片和三角形地板的位置實現圓極化，進一步對矩形貼片采取開槽處理拓展帶寬。測量結果表明兩個頻段的阻抗帶寬分別為49%(0.77～1.27 GHz),47.5%(1.54～2.50 GHz)，軸比帶寬為46%(0.84～1.34 GHz), 24.2%(1.96～2.50 GHz)，本天線完全覆蓋了UHF(840～960 MHz)和WLAN(2.40～2.48 GHz)這兩個熱門頻段，可用作于RFID閱讀器，具有很好的應用價值。