手持RFID讀寫器微帶天線的小型化設(shè)計(jì)*

張 莉，趙軍軍，王善進(jìn)

(1.惠州學(xué)院電子科學(xué)系，廣東惠州516007;2.江蘇豪森醫(yī)藥研究院有限公司，江蘇連云港222002 3.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808)

電子信息產(chǎn)品的設(shè)計(jì)朝著小型化方向發(fā)展是現(xiàn)實(shí)的迫切需求。在RFID系統(tǒng)中，手持讀寫器，因?yàn)榭臻g有限，為了做到小型化，其天線的小型化設(shè)計(jì)顯然是關(guān)鍵的步驟之一。眾所周知，微帶天線以體積小、剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于與其它電路集成、成本低和容易實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注［1-3］，在眾多的超高頻與微波通信系統(tǒng)中，微帶天線得到了廣泛的使用，RFID系統(tǒng)也不例外。

為了有效地接收和輻射電磁波，天線的物理尺寸與信號(hào)的波長(zhǎng)需滿足一定的關(guān)系。在我國(guó)，RFID系統(tǒng)的工作頻率為915 MHz，一般情況下天線的物理尺寸不可能做得很小。為了實(shí)現(xiàn)讀寫器的小型化，就必須對(duì)微帶天線進(jìn)行特殊的小型化設(shè)計(jì)。

根據(jù)微帶天線的相關(guān)理論，其小型化設(shè)計(jì)的途徑包括:增加介質(zhì)基板的介電常數(shù)，或在天線金屬貼片和接地板間加載短路面、短路片或者短路銷釘，或在天線的輻射貼片上開槽或者切縫，達(dá)到延長(zhǎng)天線表面激勵(lì)電流的曲流技術(shù)，或者在接地板上開槽，其作用與天線輻射片上開槽具有一樣的曲流效果，還有采用平面倒F以及平面倒L結(jié)構(gòu)和采用分形結(jié)構(gòu)等等。開槽和切縫的本質(zhì)是通過(guò)延長(zhǎng)天線微帶輻射貼片上表面激勵(lì)電流的等效路徑來(lái)達(dá)到縮小天線尺寸的目的。文獻(xiàn)［4-8］對(duì)各種微帶天線的小型化設(shè)計(jì)技術(shù)作了一些論述和介紹，討論了天線的相關(guān)物理參數(shù)對(duì)天線性能的影響。本文基于上述的設(shè)計(jì)理念，給出了一款工作頻率為915 MHz，適用于RFID手持讀寫器的新型小型化微帶圓極化天線的設(shè)計(jì)方法，該天線通過(guò)在天線的微帶貼片中心、四邊及接地板上開槽，輻射貼片上加載高介電常數(shù)介質(zhì)基板的方法，有效地縮小了微帶天線的尺寸，其大小較常規(guī)相同工作頻率的微帶天線的尺寸縮小達(dá)32%。通過(guò)HFSS仿真表明，該天線-10 dB阻抗帶寬為0.88 GHz～0.93 GHz，尺寸為66 mm ×66 mmm×5 mm，滿足了RFID手持讀寫器的小型化要求。

1 基本理論

在微帶天線的正方形貼片的兩個(gè)對(duì)角上切去兩個(gè)三角形，可以實(shí)現(xiàn)圓極化，如圖1(a)所示。貼片的四邊切出四條與邊垂直的窄縫，同時(shí)天線貼片的中心，還切開了一塊正方形的縫隙。這些縫隙可以起到延長(zhǎng)貼片表面電流路徑的作用，從而降低了天線的諧振頻率。對(duì)某一固定的頻率來(lái)說(shuō)，在天線貼片的四邊上切出縫隙，能起到縮小天線的尺寸作用。天線的接地板的四邊，也切開了四條垂直于四邊的“Y”形窄縫，見(jiàn)圖1(b)所示。在天線的貼片上開縫，會(huì)降低天線之增益，但這些增益損失可以通過(guò)在貼片上疊加高介電常數(shù)ε1的介質(zhì)基板來(lái)補(bǔ)償［6］，如圖2所示。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微帶天線結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

微帶天線可等效為一個(gè)半波輻射結(jié)構(gòu)，基本的工作模式是TM10或TM01。對(duì)矩形微帶天線而言，采用薄基片(h＜＜λg)的矩形微帶天線，其諧振頻率可由下式近似得出:

式中，c是真空中的光速，L是矩形貼片的長(zhǎng)度，εr是基片材料的相對(duì)介電常數(shù)?？梢钥闯?，天線之諧振頻率與尺寸L成反比，也就是說(shuō)，如果能設(shè)法延長(zhǎng)天線表面電流的長(zhǎng)度，就可能獲得更低的諧振頻率;反之，對(duì)一個(gè)固定頻率而言，通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)的天線，便能降低天線的物理尺寸。

2 仿真設(shè)計(jì)

2.1 切角大小對(duì)回波損耗的影響

微帶天線介質(zhì)基片的大小為85 mm×85 mm貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，縫隙長(zhǎng)度9 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，利用HFSS建模仿真，改變貼片兩切角的尺寸，得到天線的回波損耗如圖3所示由圖可見(jiàn)，天線的帶寬會(huì)隨著切角尺寸p變大而變寬，但當(dāng)切角尺寸等于10mm時(shí)，S11曲線中心凸起回波損耗指標(biāo)變差。曲線提示在一定范圍內(nèi)，貼片切角不僅可以產(chǎn)生圓極化，而且可以用來(lái)調(diào)整天線的帶寬。

圖3 改變貼片切角尺寸p對(duì)S11的影響

2.2 改變饋電位置對(duì)回波損耗的影響

保持微帶天線介質(zhì)基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，縫隙長(zhǎng)度9 mm，貼片中心正方形縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，利用HFSS建模仿真，改變同軸線饋電的位置，得到天線的回波損耗如圖4所示。曲線顯示，雖然天線的-10 dB阻抗帶寬基本保持不變，但每種情況下工作頻段內(nèi)的回波損耗有所不同，表明通過(guò)調(diào)整饋電位置，可獲得比較優(yōu)化的天線駐波比，從而提高天線的性能。

圖4 改變饋電位置Df對(duì)S11的影響

2.3 改變貼片中心正方形縫隙大小對(duì)回波損耗的影響

保持微帶天線介質(zhì)基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，縫隙長(zhǎng)度9 mm，貼片中心正方形縫隙的尺寸由16 mm×16 mm變到26 mm×26 mm，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖5所示。這些曲線說(shuō)明，隨著貼片中心的切口變大，天線的工作頻帶逐步下移，這就是說(shuō)對(duì)某固定頻率而言，可以采用加大輻射貼片中心正方形縫隙的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的小型化設(shè)計(jì)。但可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著貼片上縫隙的增大，天線的輻射增益必然會(huì)受到損失。同時(shí)，曲線也提示，隨著貼片中心縫隙的增大，天線的-10 dB阻抗帶寬也逐步變窄了。

圖5 改變貼片中心正方形縫隙尺寸S對(duì)S11的影響

2.4 改變貼片四邊縫隙長(zhǎng)度對(duì)回波損耗的影響

保持微帶天線介質(zhì)基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，貼片中心正方形縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，四邊縫隙長(zhǎng)度由6 mm變到12 mm，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖6所示。這些曲線的顯著特點(diǎn)是，隨著縫隙長(zhǎng)度的加大，天線的工作頻段不斷下移，表明增長(zhǎng)縫隙的長(zhǎng)度，可以獲得更小尺寸的天線;也可以通過(guò)調(diào)整縫隙的長(zhǎng)度來(lái)間接調(diào)整天線的工作頻帶，以滿足實(shí)際工程的需要。

圖6 改變四邊上的縫隙長(zhǎng)度L對(duì)S11的影響

2.5 改變接地板上四邊縫隙長(zhǎng)度對(duì)回波損耗的影響

保持微帶天線介質(zhì)基片的大小為85 mm×85 mm，貼片大小68 mm×68 mm，微帶貼片四邊縫隙寬度2 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為18 mm×18 mm，縫隙長(zhǎng)度9 mm，改變接地板上縫隙的尺寸大小，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖7所示。改變接地板上縫隙的尺寸，最明顯的作用就是拓寬了天線的工作帶寬，同時(shí)整個(gè)頻段有一定的下移。導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的原因，或許是微帶天線接地板上開縫，引起了一些電磁波能量的反向泄漏，從而降低了天線的Q值，導(dǎo)致了帶寬的加大。

圖7 改變地板上縫隙長(zhǎng)度Lb對(duì)S11的影響

2.6 改變縫隙寬度對(duì)回波損耗的影響

保持微帶天線介質(zhì)基片的大小為85 mm×85 mm貼片大小68 mm×68 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為25 mm×25 mm，縫隙長(zhǎng)度9 mm，改變接地板上縫隙的寬度，縫隙寬度由1 mm變到4 mm，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖8所示?？梢?jiàn)，隨著縫隙寬度加大，天線的帶寬有了一定的加大，頻段也有了一定的下移，這種現(xiàn)象與圖9有些類似。

圖8 改變縫隙寬度w對(duì)S11的影響

2.7 在天線貼片上面加載高介電常數(shù)基片對(duì)回波損耗的影響

保持微帶天線介質(zhì)基片的大小為70 mm×70 mm，貼片大小55 mm×55 mm，貼片中心正方形切口縫隙的尺寸為16 mm×16 mm，縫隙長(zhǎng)度7 mm，縫隙寬度為2 mm，在天線金屬貼片上加載一層高度為h1介電常數(shù)為79、大小與天線原來(lái)基片相同的基片，改變其厚度h1，利用HFSS建模仿真，得到天線的回波損耗如圖9所示?？梢?jiàn)天線的諧振頻率下降了，當(dāng)該介質(zhì)板厚度由1 mm增加到2 mm時(shí)，S11變得更佳，最低達(dá)-50 dB多，隨后厚度增加到3 mm、4 mm時(shí)，S11卻伴隨著厚度增加反而抬高了。但它們的共同特點(diǎn)是厚度越厚，諧振頻率變得更低。這提示，對(duì)固定頻率的天線，我們可見(jiàn)通過(guò)在輻射貼片上疊加另一層高介電常數(shù)的介質(zhì)基片，來(lái)達(dá)到縮小天線尺寸的目的。

圖9 加載基片厚度h1對(duì)S11的影響

2.8 手持RFID讀寫器微帶天線

依據(jù)前面的分析，綜合采用開槽加載縫隙和加載高介電常數(shù)基片的技術(shù)，利用HFSS實(shí)現(xiàn)諧振頻率為915 MHz的天線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線具體尺寸，基片:66 mm×66 mm，貼片:58 mm×58 mm，縫隙寬度4 mm，貼片縫隙長(zhǎng)度7 mm，接地板縫隙長(zhǎng)度6 mm，貼片中心正方形切口縫隙15 mm×15 mm，貼片切角8 mm，第一層基板厚度3 mm，第二層厚度1 mm。天線的回波損耗見(jiàn)圖10所示，天線的輻射方向圖見(jiàn)圖11所示。圖10顯示天線的10 dB回波損耗大約為0.88 GHz～0.93 GHz，即帶寬50 MHZ左右，可以滿足RFID系統(tǒng)的需求。

圖10 915 MHz高介電常數(shù)介質(zhì)基片加載小型微帶天線的回波損耗

圖11 天線輻射方向圖

3 結(jié)論

本文給出了一款RFID手持讀寫器微帶天線的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)天線輻射貼片及接地板上開槽切縫及貼片上方加載高介電常數(shù)基片的方法，有效地縮小了天線的物理尺寸。相比于同樣頻率的常規(guī)微帶天線最后優(yōu)化得出的天線尺寸縮小近32%，可滿足手持讀寫器的需求。

在貼片或接地板上加載縫隙，等效于在天線上加載了一些電抗，它們的大小是縫隙參數(shù)(長(zhǎng)度、寬度和位置)的函數(shù)，通過(guò)調(diào)整這些縫隙的參數(shù)，這些電抗實(shí)際上起到了改變天線阻抗虛部的作用。當(dāng)天線諧振時(shí)，阻抗虛部必須為零。在這個(gè)條件下，便可能使天線諧振的方程產(chǎn)生更多不同的解，表現(xiàn)在回波損耗曲線上，就會(huì)出現(xiàn)諧振頻率的移動(dòng)和改變。

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