一種圓極化RFID天線陣的設(shè)計(jì)

彭海龍

【摘要】 本文在完成單元圓極化微帶天線設(shè)計(jì)和饋電網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)16單元的2.45GHz圓極化微帶天線陣，用電磁仿真軟件Ansoft HFSS完成天線仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化了天線的性能，最后加工成實(shí)物天線。通過(guò)微波暗室對(duì)實(shí)物天線參數(shù)測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。天線安裝在有源RFID系統(tǒng)中，讀卡范圍得到有效控制，效果達(dá)到滿意。此天線產(chǎn)品成本低、加工簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)組裝，已經(jīng)批量生產(chǎn)，并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利。

【關(guān)鍵詞】 圓極化 微帶天線 RFID天線 陣列

一、引言

微帶天線體積小、重量輕，剖面低，可與載體共形，易與有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域[1]。但用于制作微帶天線的微波材料價(jià)格昂貴，而且微帶天線帶寬窄，這也是微帶天線的缺點(diǎn)。

隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，射頻識(shí)別產(chǎn)品已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，例如停車場(chǎng)輛管理系統(tǒng)、不停車自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、人員管理、電子防偽、物流監(jiān)控、生產(chǎn)自動(dòng)化管理等。我公司已經(jīng)研發(fā)出多款射頻產(chǎn)品，其中2.45G有源產(chǎn)品的一個(gè)應(yīng)用方向是對(duì)特定范圍內(nèi)的卡片進(jìn)行讀取。本文在已有定型外殼的有限空間范圍內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)16單元的2.45G圓極化微帶天線陣，通過(guò)板材選取降低天線成本（在實(shí)際工程允許條件下犧牲了部分天線增益），進(jìn)行了HFSS仿真、實(shí)物加工以及微波暗示測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了滿意的效果。

二、微帶天線陣的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

微帶天線的輻射貼片單元的幾何形狀有多種，常用的幾何形狀有矩形、圓形、三角形、多邊形等，其中矩形是微帶天線典型應(yīng)用形狀，有一系列比較成熟的理論作為研究依據(jù)，并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于圓極化波產(chǎn)生。微帶天線還有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是便于圓極化工作的實(shí)現(xiàn)，常用方法主要有[2]：1、切角微擾一點(diǎn)饋電法；2、相位差90°的兩點(diǎn)饋電法；3、微帶天線陣構(gòu)成圓極化微帶天線法。

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，選擇矩形微帶天線為基礎(chǔ)，采用切角微擾微帶側(cè)饋的方法實(shí)現(xiàn)圓極化功能，將饋電網(wǎng)絡(luò)和天線單元布局在一起。這種方法無(wú)需外加移向網(wǎng)絡(luò)和功分器就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，且有助于保證天線成品性能的一致性。

2.1 微帶天線單元的設(shè)計(jì)[3]

為了降低成本，本文選擇通用的PCB板材環(huán)氧布基板為介質(zhì)基板，相對(duì)介電常數(shù)為εr=4.6，取基板厚度h= 1.6mm，天線中心頻率為2.45GHz。由式（1）～（4） 和已知參數(shù)計(jì)算得到： 單元天線長(zhǎng)度L=28.3mm， 單元天線寬度W=36.4mm。其中，天線工作中心頻率主要有單元天線長(zhǎng)度L決定，單元天線寬度W對(duì)天線的效率和增益會(huì)有影響。

Ansoft HFSS是一個(gè)用于任意三維無(wú)源器件的高性能全波電磁場(chǎng)仿真器，它使用有限元法自適應(yīng)劃分網(wǎng)格和杰出的圖形界面，可用于計(jì)算S參數(shù)、諧振頻率和場(chǎng)[5]。用Ansoft HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行仿真，優(yōu)化并確定天線尺寸參數(shù)。為了便于圓極化的產(chǎn)生，暫取L=W=28.3mm，側(cè)饋微帶線位于天線單元的中間，按照此尺寸建立微帶天線仿真模型優(yōu)化仿真計(jì)算。選用特征阻抗為150歐母微帶線做側(cè)饋線，經(jīng)公式計(jì)算其寬度為WS=0.5mm，設(shè)置激勵(lì)端口為150歐姆，設(shè)置自動(dòng)優(yōu)化參量，仿真的中心頻率為2.45G，掃頻范圍為2.2GHz～2.8GHz，優(yōu)化后天線尺寸值為L(zhǎng)=W=29mm，ΔS=4.5mm。單元天線的仿真Smith圓圖結(jié)果如圖1所示。

在圖1中看到阻抗特性曲線經(jīng)過(guò)圓圖中心，說(shuō)明在帶寬內(nèi)阻抗匹配良好，且有一個(gè)明顯凹點(diǎn)，這說(shuō)明天線出現(xiàn)了簡(jiǎn)并模分離，實(shí)現(xiàn)了圓極化功能。優(yōu)化后，單元天線在2.45GHz的回波損耗為-21db，S11參數(shù)小于-10db的帶寬是110MHz，仿真單元天線的增益為2.4dB，這主要是因?yàn)榄h(huán)氧布基板材料的損耗較大，天線的增益降低了。

2.2 圓極化微帶天線陣的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

天線單元的軸比和中心頻率滿足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)榇颂炀€陣要解決的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)是讀卡范圍的可控性，主要是對(duì)天線的波束和天線的前后輻射比提出了要求。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)以及天線增益的需要，將天線設(shè)計(jì)為4*4的16元天線陣，陣列單元的間距一般在0.5λ～0.9λ的范圍內(nèi)，此時(shí)的波長(zhǎng)是指電磁波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)。取X軸、Y軸方向陣列單元間距為，仿真優(yōu)化后天線的間距為51mm。為了饋線方便布設(shè)，天線單元旋轉(zhuǎn)180度，同時(shí)天線陣采用等幅異相饋電，并通過(guò)微帶線作相位補(bǔ)償。用微帶二等分功分器做饋電網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)傳輸線阻抗變換理論公式Zin=Z02/ZL計(jì)算微帶線的特征阻抗，進(jìn)而得出PCB板上微帶線的寬度。天線陣的仿真模型如圖2所示：

從圖3可以看到， S11參數(shù)小于-10db范圍是2.34GHz ～2.54GHz，這說(shuō)明天線陣阻抗匹配良好，能夠滿足有源射頻系統(tǒng)的頻帶范圍要求。從天線陣方向圖的仿真結(jié)果圖4中上可以看到，天線陣3db波束寬度35°，天線最大增益為11.9dB，天線輻射前后比為-22dB，具有較好的定向性，滿足對(duì)天線陣波束的設(shè)計(jì)要求。

三、微帶天線陣加工及測(cè)試

在上述天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本文對(duì)天線做了實(shí)際加工和測(cè)試。天線實(shí)物如圖5所示。

為了提高天線的性能穩(wěn)定性和抗腐蝕的能力，天線PCB板采用了沉金工藝處理。天線實(shí)物用長(zhǎng)約20cm的RG36同軸線焊接好，同軸線的另一端連接一個(gè)SMA公頭。在微波暗室里測(cè)試天線輸入端口的回波損耗S11參數(shù)[6]，如圖6所示，回波損耗S11小于-10db的頻率范圍2.45GHz～2.65GHz，頻率帶寬為200MHz；暗室實(shí)測(cè)天線方向圖如圖7所示，天線增益為11.2dB，天線3db波束寬度為27°，天線輻射前后比為-24db，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。圖8數(shù)據(jù)表明，天線增益在整個(gè)頻率范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，天線在2.422GHz～2455GHz范圍內(nèi)都滿足圓極化要求，圓極化特性在2.438GHz最好。與仿真結(jié)果相比，天線的中心頻率有偏移、天線增益有誤差，這些誤差往往是因?yàn)榘宀膮?shù)誤差和加工誤差產(chǎn)生的，引入天線罩后，天線的中心頻率會(huì)向低頻段偏移。

將天線實(shí)物接入2.45G有源射頻識(shí)別系統(tǒng)中，選用我公司不同型號(hào)的卡片進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，讀卡范圍得到有效控制。特別是在車輛管理應(yīng)用中，通過(guò)讀卡器功率調(diào)整，可以只讀取一個(gè)車道寬度內(nèi)的射頻卡片。在前向讀卡距離滿足工程應(yīng)用的前提下，背向讀卡距離得到了有效控制，基本不讀卡，達(dá)到了最初的應(yīng)用設(shè)計(jì)目標(biāo)。

四、結(jié)論

本文利用經(jīng)驗(yàn)公式和HFSS電磁仿真軟件完成了單元天線和天線陣的設(shè)計(jì)，在滿足工程應(yīng)用的情況下選擇板材降低了天線的成本。實(shí)物測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本保持一致，驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)的可信度；將此天線應(yīng)用在有源RFID系統(tǒng)中，讀卡范圍得到有效控制，達(dá)到了滿意效果。此天線產(chǎn)品成本低、加工簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)組裝，已經(jīng)批量生產(chǎn)應(yīng)用，并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利證書。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 約翰. 克勞斯著，章文勛譯. 天線[M]. 電子工業(yè)出版社. 2006

[2] 薛睿峰，鐘順時(shí). 微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào). 2002年04期

[3] J鮑爾，P.布哈蒂亞. 微帶天線[M]. 電子工業(yè)出版社. 1984

[4] 張鈞，劉克誠(chéng). 微帶天線理論與工程[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社. 1988

[5] 任偉，曾文波. 2.4GHz/12GHz微帶天線的設(shè)計(jì)—基于HFSS9.2軟件微帶天線的設(shè)計(jì)[J]. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào). 2005年S3期

[6] 黃坤超. “矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域功能在天線測(cè)量中的應(yīng)用”[J]. 電子技術(shù). 第47卷第3期