5.8GHz 圓極化高增益射頻識(shí)別讀寫器天線的分析與設(shè)計(jì)

譚偉強(qiáng), 唐 軍, 劉冀成, 唐 濤

(成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

射頻識(shí)別(Radio Frequency IDentification,RFID)是一種通過無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信并對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic Toll Collection,ETC)采用微波有源射頻識(shí)別技術(shù)來(lái)完成汽車與自動(dòng)收費(fèi)站之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。目前國(guó)際上的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)采用的頻段主要有3種:915MHz、2.4GHz、5.8GHz,其中前兩個(gè)頻段在醫(yī)療衛(wèi)生,無(wú)線通信和科研等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,頻率重復(fù)使用現(xiàn)象嚴(yán)重,相對(duì)前兩個(gè)頻段來(lái)說5.8GHz頻段具有背景噪聲小,數(shù)據(jù)傳送效率高,并且中國(guó)已在2007年批準(zhǔn)將該頻段應(yīng)用于電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(GB/T 2.851.1-2007)[1]。

射頻識(shí)別系統(tǒng)由讀寫器天線,電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)組成,其中讀寫器天線發(fā)射電磁能量激活標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸并向標(biāo)簽發(fā)出指令,同時(shí)也要接收來(lái)自標(biāo)簽的信息。由于標(biāo)簽天線一般為線極化,且增益都比較低,為了能夠讀取具有不同極化特性的電子標(biāo)簽信息和盡可能實(shí)現(xiàn)讀寫器與標(biāo)簽之間的最大信號(hào)能量傳輸,要求讀寫器天線具有圓極化和高增益等特點(diǎn)。近年來(lái),研究者提出了多種不同結(jié)構(gòu)的RFID讀寫器天線,如折疊偶極子天線,平面環(huán)形天線,平面倒F天線等[2-4]。文獻(xiàn)[5]提出的天線體積較大,并且采用巴倫饋電方式,增加了設(shè)計(jì)成本;文獻(xiàn)[6]提出的天線帶寬較窄且增益太小,一定程度上限制了其使用范圍;文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,對(duì)加工工藝要求較高,增加了實(shí)際應(yīng)用成本。文中設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的圓極化高增益RFID讀寫器天線,具有體積小,成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制作等特點(diǎn)。通過對(duì)天線參數(shù)的分析和優(yōu)化,最終確定了具有最優(yōu)參數(shù)的天線結(jié)構(gòu),并制作出樣品。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示該天線能夠滿足ETC使用需要,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

1.1 圓極化理論

微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)小型化和圓極化等特點(diǎn),在射頻識(shí)別系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。矩形微帶貼片天線可以看成是一段寬為 W、長(zhǎng)為L(zhǎng)的傳輸線,選取較大的微帶天線寬度對(duì)頻帶寬度、輻射效率和阻抗匹配都有好處。但為了防止高次模引起場(chǎng)的畸變,寬度 W＜W0應(yīng)選以下范圍[8]:

其中c為真空中光速,fR為天線諧振頻率,λ0為空氣中的波長(zhǎng),εr為基板的相對(duì)介電常數(shù),εe為有效介電常數(shù),h為基板的厚度,λg為傳輸線的波導(dǎo)波長(zhǎng)。矩形微帶天線的長(zhǎng)度L在理論上小于0.5λg。

另外,微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的關(guān)鍵是要激勵(lì)起兩個(gè)極化方向正交、幅值相等、相位相差90°的線極化波,這樣瞬時(shí)電場(chǎng)矢量端點(diǎn)軌跡構(gòu)成一個(gè)圓。實(shí)現(xiàn)圓極化輻射常用以下兩種方法:選擇合適的饋電方式或選擇合適的輻射單元形狀。常用的圓極化饋電方式有多饋電法和單饋電法,但是采用多饋電方式實(shí)現(xiàn)圓極化的方法大多需要復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配結(jié)構(gòu)[9],相對(duì)比較復(fù)雜,所以采用簡(jiǎn)單易行的單饋電方式。通過調(diào)節(jié)輻射單元形狀也是實(shí)現(xiàn)天線圓極化重要手段,已有文獻(xiàn)作了相關(guān)研究:包括三角形、正方形、圓形、圓環(huán)形、正五邊形、橢圓形等[10-12]。討論的方法是通過在方形輻射單元上切角引入幾何微擾,即附加簡(jiǎn)并模分離單元,使簡(jiǎn)并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離。當(dāng)前的圓極化微帶天線多采用對(duì)稱等腰直角三角形切角的方法[13],從工程應(yīng)用角度出發(fā),采用更易加工和調(diào)整的非對(duì)稱正方形切角的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化。

1.2 天線結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的讀寫器天線結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中圖1(a)為俯視圖、圖1(b)為剖面圖,主要由3部分組成:上表面為切角的方形輻射單元;中間為厚度h=3mm的Roger5880介質(zhì)基板,其相對(duì)介電常數(shù)εr=2.2、電損耗角正切值tanδ=0.009;下表面為邊長(zhǎng)為 a的方形金屬反射板,天線采用同軸式探針饋電方法。

1.3 參數(shù)分析

影響天線性能指標(biāo)的參數(shù)有:方形輻射單元邊長(zhǎng) W,輻射單元上的切角深度r,基板邊長(zhǎng)b和厚度h,反射板邊長(zhǎng)a、饋電點(diǎn)位置Px和Py。通過調(diào)整基板的厚度和反射板尺寸,可以使輻射單元和反射板產(chǎn)生共模,提高天線增益;在確定合適的饋電點(diǎn)位置后,輻射單元的尺寸對(duì)天線的回波損耗(S11)影響較大,切角深度對(duì)天線的軸比影響較大。參數(shù)分析將揭示 W、r、Px和Py這些變量對(duì)天線性能的影響。

根據(jù)式(1)～(3)可以得出諧振于5.8GHz方形微帶天線的輻射單元W的初始值為20mm。在切角深度和饋電點(diǎn)位置確定的情況下,改變方形輻射單元的尺寸對(duì)天線回波損耗的影響如圖2所示。從圖2可以看出天線的諧振頻率將會(huì)隨著輻射單元的增大而減小。

圖1 讀寫器天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 輻射單元尺寸對(duì)S11的影響

圖3 不同切角深度對(duì) S11的影響

最后,保持輻射單元尺寸和饋電點(diǎn)位置一定,考察切角深度對(duì)天線性能的影響。圖3給出了不同切角深度對(duì)應(yīng)的天線回波損耗,從圖3可以看出,切角深度對(duì)天線回波損耗的影響較小。另外,饋電點(diǎn)位置對(duì)天線的諧振頻點(diǎn)也有一定的影響,保持輻射單元尺寸和切角深度不變,圖4給出了不同饋電點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的天線回波損耗。

由于該天線的圓極化是通過切角實(shí)現(xiàn)的,所以切角深度將直接決定天線的軸比。圖5為切角深度r分別為3.4mm,3.8mm,4.2mm,4.6mm,5.0mm時(shí)天線對(duì)應(yīng)的軸比,從圖5可以看出:如果切角深度太大,天線的諧振頻點(diǎn)將會(huì)發(fā)生偏移,而切角深度太小,天線在工作頻段內(nèi)將不能實(shí)現(xiàn)圓極化。

圖4 不同饋電點(diǎn)對(duì)S11的影響

圖5 不同切角深度對(duì)AR的影響

在小型化微帶天線設(shè)計(jì)過程中,各個(gè)參數(shù)互相制約、互相影響,參數(shù)分析將有助于天線結(jié)構(gòu)尺寸的最終確定。通過反復(fù)比較以及綜合考慮各參數(shù)對(duì)天線總體性能的影響,最終確定的天線具體參數(shù)如表1所示。

表1 天線具體參數(shù)

圖6 天線實(shí)物

2 結(jié)果與測(cè)試

依據(jù)表1所示的天線尺寸,加工出天線樣品如圖6所示,使用R&S ZVB矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(10MHz～20GHz)對(duì)其回波損耗進(jìn)行了測(cè)試,圖7中給出回波損耗實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的對(duì)比,可以看出該天線樣品的諧振點(diǎn)有所偏移(稍微偏低,約為5.75GHz),工作帶寬(5.50～6.10GHz)與仿真結(jié)果(5.55～6.17GHz)基本吻合。

圖7 實(shí)測(cè)與仿真S11對(duì)比圖

圖8 5.8GHz增益方向圖

圖8給出該天線在5.8GHz的輻射方向圖,可以看出,該天線的最大增益可達(dá)8.27dB;圖9給出了該天線在整個(gè)工作頻段內(nèi)的軸比和增益圖,可以看到在整個(gè)工作頻帶內(nèi),其軸比(＜3dB)帶寬為140MHz(5.71～5.85GHz),并且其增益均在8dB以上。圖10給出該天線的輸入阻抗圖,在5.8GHz諧振點(diǎn)處,天線的輸入阻抗為49.21歐姆,能夠?qū)崿F(xiàn)天線與同軸饋電之間的輸入阻抗匹配,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最大傳輸。

圖9 工作頻帶內(nèi)的增益和軸比圖

圖10 5.8GHz輸入阻抗圖

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種用于ETC系統(tǒng)的圓極化高增益RFID讀寫器天線,天線的整體尺寸僅為30×30×4 mm3,其實(shí)測(cè)工作帶寬可達(dá)600MHz,軸比(＜3dB)帶寬約為140MHz,且在整個(gè)工作帶寬內(nèi),天線具有比較穩(wěn)定的輻射特性(增益保持于8dB以上)。最后對(duì)樣品天線進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與分析仿真結(jié)果基本吻合。綜合考慮天線的各種性能指標(biāo),可以滿足電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的要求,具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

致謝:感謝成都信息工程學(xué)院科研項(xiàng)目與科研人才基金(KYTZ201211,CKF201103,J201202)對(duì)本文的資助

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