一種新穎的UHF RFID手持設(shè)備PCB單極天線設(shè)計

俞正明

【摘 要】本文結(jié)合單極天線和套筒天線的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計了一種PCB單極天線，克服了普通PCB單極天線地板對天線指標(biāo)的影響，通過改善端口阻抗及增加帶寬，使其能工作在860MHz～960MHz的UHF RFID頻段。同時，該天線具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的特點(diǎn)，非常適合安裝在UHF RFID手持設(shè)備上。

【關(guān)鍵詞】單極天線 套筒天線 RFID

【中圖分類號】 TN82【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0028-02

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)及RFID技術(shù)的發(fā)展與普及，越來越多的應(yīng)用需要具有UHF RFID讀寫功能的手持設(shè)備。UHF RFID天線的性能、體積和成本是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)問題。本文設(shè)計的天線是一款成本低、加工方便，且?guī)挐M足UHF RFID（860MHz～960MHz）工作帶寬的天線。

傳統(tǒng)的單極天線是豎直的具有四分之一波長的天線[1]。該天線安裝在一個接地平面上，它可以是實(shí)際地面，也可以是人造接地面上。手機(jī)內(nèi)置天線中也常采用變形單極子天線。普通PCB單極天線地板對天線指標(biāo)的影響非常大，有文獻(xiàn)專門對地板長度對天下的影響做過研究，結(jié)果如圖1所示[2]。

本文設(shè)計的天線克服了傳統(tǒng)PCB單極天線對地板長度的依賴，具有工作頻率穩(wěn)定、端口駐波特性好、可用同軸電纜饋電、結(jié)構(gòu)簡單、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 理論分析

本文設(shè)計的天線為了能達(dá)到阻抗和帶寬的要求，采用天線加頂?shù)姆椒ㄌ岣咻椛潆娮琛樵黾哟怪辈糠值挠行Ц叨?，可以在天線頂部加裝水平部分使天線類似倒L型。當(dāng)水平部分和垂直部分之和接近時，有效高度最大，同時可以使天線的輸入電抗分量大大減小。設(shè)計中借鑒了套筒單極天線的工作原理，在單極天線的底部套上接地外壁，與普通單極子天線類似。套筒單極子天線的總長度通常取為工作頻段下限頻率的四分之一波長，即λ/4。在總長度確定的情況下，天線的電性能主要取決于上輻射體長度與套筒接地外壁的長度之比，有文獻(xiàn)認(rèn)為2.25 是套筒單極子天線的最佳長度比[3]。

本文的天線設(shè)計仿真采用矩量法。矩量法是一種將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組的方法，這種方法對于求解微分方程和積分方程均適用。在天線工程中，當(dāng)天線的最大尺寸不大于兩個波長時，非常適合于用矩量法。

假設(shè)導(dǎo)線的線徑與波長相比非常細(xì)，導(dǎo)線上的電流只沿導(dǎo)線的軸線流動，則線上電流J產(chǎn)生的電場Es可以表示為：

頻段內(nèi)。然后再調(diào)整參數(shù)d改變套筒與輻射體的長度比，這樣也很容易地將天線的駐波特性調(diào)整好。

4 參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過優(yōu)化后的天線版圖如圖4所示，其中的參數(shù)具體值為：a=6mm、b=35.3mm、c=45.3mm、d=31.6mm、e=5.5mm、f=62.4mm、g=2mm。

經(jīng)過優(yōu)化后的天線S11參數(shù)如圖5所示，工作頻段860 MHz～960MHz內(nèi)天線的駐波都在1.5以下。

通過觀察天線的2D和3D輻射圖可以看到，天線在一個方向上有較大的輻射，增益達(dá)到了5dB。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合單極天線和套筒天線的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計了一種PCB單極天線，并且給出了具體的PCB版圖。從仿真結(jié)果可以看出達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王元坤， 李玉權(quán) 線天線的寬頻帶技術(shù)〔M ] 西安 西安電子科技大學(xué)出版社，1995

[2] 朱文濤 L形地板結(jié)構(gòu)平面單極天線的研究 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009

[3] Poggio A J，Mayes P E. Pattern Bandwidth Optimization of the Sleeve Monopole Antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propagat，1966

[4] K.Fujimoto A.Henderson，K.hirasawa J.R.James Small Antennas 國防工業(yè)出版社 1988