超高頻RFID系統(tǒng)的寬帶圓極化微帶天線優(yōu)化設計

傅世強 鐘華華 李嬋娟

摘 要： 提出一種全球通用超高頻RFID讀寫器終端圓極化天線的優(yōu)化設計方法。在傳統(tǒng)疊層微帶天線寬帶化的基礎上，通過加載中心短路柱和改進T型雙饋電功分移相網(wǎng)絡擴展天線的軸比帶寬，并利用匹配調諧片進一步展寬天線的阻抗帶寬，給出天線的設計思路，并進行了電磁仿真優(yōu)化。最后對天線進行加工試驗，測試結果表明在840～960 MHz頻帶范圍內，天線駐波比小于1.5，軸比小于3 dB，增益可達9 dB。所設計的天線已成功應用于超高頻四通道讀寫器終端。

關鍵詞： 射頻識別; 微帶天線; 超高頻讀寫器; 圓極化; 軸比帶寬; 天線設計

中圖分類號： TN822?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0017?04

Abstract： An optimization design method of circularly?polarized antenna is presented for the globally?universal ultrahigh frequency （UHF） RFID reader?writer terminal. On the basis of the traditional broadband stacked microstrip antenna， the axial ratio bandwidth of the antenna is broadened by loading the center short circuit column， and improving the T?type dual?feed power?dividing and phase?shifting network. The impedance bandwidth of the antenna is further broadened by means of the matching tuning stub. The design thought of the antenna is given， and its electromagnetic simulation optimization is performed. The fabricating test was carried out for the antenna. The test results show that， within 840～960 MHz frequency band， the antenna standing wave ratio is less than 1.5， its axial ratio is less than 3 dB， and the gain can reach up to 9 dB. The designed antenna has been successfully applied in the ultrahigh frequency four?channel reader?writer terminal.

Keywords： radio frequency identification; microstrip antenna; ultrahigh frequency reader?writer; circular polarization; axial ratio bandwidth; antenna design

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)時代下物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是建設智慧物流和智慧城市的關鍵技術。超高頻RFID技術由于作用距離遠、識別目標多、準確率高，得到了廣泛應用[1]。天線處于RFID信息收發(fā)系統(tǒng)的最前端，其技術指標的好壞直接影響到系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)。不同國家和地區(qū)的超高頻RFID系統(tǒng)應用頻段不盡相同，如果設計天線能夠覆蓋840～960 MHz整個超高頻RFID頻段，就能有效地簡化系統(tǒng)的安裝調試，降低系統(tǒng)的搭建成本，進而實現(xiàn)全球通用[2]。

為了提高信息傳輸?shù)目煽啃?，超高頻RFID系統(tǒng)的讀寫器天線采用圓極化方式工作。微帶天線具有體積小、重量輕、剖面低、易于實現(xiàn)多頻段和圓極化工作的優(yōu)點，在RFID讀寫器天線設計中得到大量的研究[3?6]。傳統(tǒng)的微帶天線由于帶寬較窄，難以覆蓋全球通用超高頻RFID的整個頻段。為此，文獻[7]提出一種采用S型水平蜿蜒帶條激勵主輻射貼片的單饋電疊層微帶天線，使得軸比小于3 dB的圓極化帶寬覆蓋838～934 MHz;文獻[8]提出一種采用集成饋電網(wǎng)絡的雙饋電圓環(huán)形微帶貼片天線，使得軸比小于3 dB的圓極化帶寬覆蓋870～967 MHz。為覆蓋整個超高頻RFID頻段，上述天線的圓極化帶寬仍需進一步展寬。陳志寧教授提出一款通用超高頻RFID圓極化讀寫器微帶天線[9]，通過采用連續(xù)旋轉四饋電疊層結構有效地展寬了天線帶寬，使得在818～964 MHz頻帶范圍內駐波比小于1.5且軸比小于3 dB。在文獻[9]的基礎上，文獻[10]采用古幣型貼片和圓環(huán)形帶條形式的連續(xù)旋轉四饋電疊層微帶天線，同樣獲得了較寬的天線帶寬。盡管上述天線獲得了較好的性能，但饋電結構稍顯復雜，加工成本相對較高。

為了實現(xiàn)寬帶高增益的圓極化天線，并且達到天線性能與制作復雜度之間的平衡，本文在傳統(tǒng)疊層微帶天線寬帶化的基礎上，通過采用改進的T型微帶功分移相雙饋電網(wǎng)絡，并引入匹配調諧片和金屬短路柱，進一步提升了天線的阻抗帶寬和圓極化帶寬。本文設計了一款應用于超高頻RFID系統(tǒng)的圓極化天線，該天線可以覆蓋840～960 MHz的頻率范圍。

1 天線結構和原理設計

為了實現(xiàn)寬帶化和高增益設計，同時降低制作成本，本文提出的天線采用空氣介質并利用金屬螺絲短路柱固定支撐的疊層微帶雙饋電結構，天線結構如圖1所示。

下層饋電層天線為主輻射貼片，上層附加一寄生貼片，主輻射貼片通過電磁耦合對寄生貼片進行饋電，設計時使兩個貼片天線的諧振中心頻率各不相同，通過選擇合適的空氣層厚度[H1]和[H2]以及貼片大小[L1]和[L2，]可以調整這兩個諧振頻率，使各諧振帶寬相互交叉，從而形成雙峰諧振電路展寬其工作帶寬。主輻射貼片尺寸較大，工作在較低頻段，寄生貼片尺寸較小，工作在較高頻段，為了均衡雙峰的頻寬，根據(jù)[Q]值和相對帶寬可確定空氣層厚度[H1]和[H2，]并且要求[H2>H1，]初步選取[H1=]12 mm，[H2=]18 mm。在矩形疊層微帶天線高度確定的基礎上，可初步確定天線貼片的尺寸初值，然后利用HFSS建模仿真優(yōu)化。

圖2給出了疊層微帶天線邊緣饋電的輸入阻抗曲線，從圖中可以看出，當[L1=]149 mm，[L2=]127 mm時，在超高頻 RFID所需頻段內能獲得較為平坦的阻抗曲線。

為了實現(xiàn)圓極化工作，采用T型功分移相器雙饋電方案產(chǎn)生兩路幅度相等、相位相差90°信號。相對于單饋電微擾實現(xiàn)圓極化，雙饋電方案可以在兩個饋點之間互相補償不必要的電抗，減少貼片高次模對阻抗帶寬和軸比的影響。并且雙饋電方案較四饋電方案減少了饋電功分網(wǎng)絡的復雜度，降低了天線加工誤差的要求。另外，T型功分移相饋電網(wǎng)絡較Wilkinson功分移相饋電網(wǎng)絡在效率上大大提高，避免了由于失配造成的電阻耗能導致增益降低的缺陷。引入的T型饋電功分移相電路原理圖如圖3所示，與常用的均勻[14]波長傳輸線移相不同，此處的[14]波長相移變換線分為阻抗不同的兩段，且滿足[θ2+θ3=90°，]仿真分析發(fā)現(xiàn)這對于軸比帶寬的展寬和調諧具有一定的效果。T型功分移相饋電網(wǎng)絡的物理實現(xiàn)在彎折處采用切角的方式，如圖1所示，目的在于消除彎折處不連續(xù)性引入的寄生電抗（會引起相位和振幅誤差、輸入與輸出失配以及可能的寄生耦合）來展寬天線的阻抗帶寬。T型功分移相器輸入端接N型50 Ω饋電射頻接頭，為了抵消由于饋電接頭探針帶來的電感效應，在探針上引入電容耦合匹配調諧貼片進行電抗的補償，進一步實現(xiàn)天線的寬帶匹配。

2 仿真和實驗結果分析

按上述天線結構設計了一個天線，并利用HFSS對其進行仿真分析研究。仿真分析發(fā)現(xiàn)，貫穿接地板、主輻射貼片和寄生貼片的中心金屬短路柱不僅作為支撐立柱很好地解決了加工問題，而且還能使得貼片電流分布更均勻，在一定程度上獲得了更好的軸比帶寬。另外，改進的T型饋電網(wǎng)絡中兩段不同特性阻抗的移相變換線能夠微調兩路輸出功分比，進而可以調節(jié)天線的軸比工作頻率范圍，圖4給出了在[θ2=]30°時不同[W2]和[W3]情況下頂點軸比的HFSS仿真結果，從圖中可以看出兩種情況下3 dB軸比帶寬發(fā)生明顯偏移。

采用設計的饋電網(wǎng)絡給疊層天線饋電后，由于饋電接頭探針的存在，輸入阻抗仍然有較大的虛部且為感性，故需要引入容性來補償。通常當感抗不是很大的情況下，可以在T型饋電網(wǎng)絡輸入端直接并聯(lián)一小段開路線實現(xiàn)容抗補償，但當感抗較大時在饋電點直接并聯(lián)開路線面積會比較大，這對天線的輻射性能影響較大，故選擇在T型饋電網(wǎng)絡下方的饋電探針上并接匹配調諧片。圖5給出加入匹配調諧片前后的輸入阻抗曲線，從圖中可以看出，加入匹配調諧片后，超高頻RFID頻段上阻抗實部保持在50 Ω附近，虛部在0 Ω附近，實現(xiàn)了很好的匹配。

經(jīng)過大量的仿真優(yōu)化分析，最終確定天線尺寸參數(shù)為[L1=]149 mm;[L2=]127 mm ;[H1=]12 mm;[H2=]18 mm;[W1=]13 mm;[W2=]12 mm;[W3=]13 mm;[x=]13 mm;[y=]30 mm;[h=3;][G=]250 mm。為了驗證設計方案的可行性，對天線進行加工實驗。貼片單元和地板均選用1 mm厚鋁板，按照設計尺寸裁切后打定位孔，用M5金屬螺絲將兩個天線貼片單元支撐固定在地板上。為了便于與接頭探針的焊接，匹配調諧片結構選用銅板，最終加工的天線實物圖如圖6所示。

圖7給出了天線的[S11]參數(shù)仿真和實測曲線，從圖中可以看出，在840～960 MHz頻率范圍內，[S11]小于-15 dB，即天線的駐波比小于1.5，輸入端口的阻抗匹配良好。圖8給出了天線的軸向增益和軸比隨頻率變化的仿真和部分實測結果，同樣在840～960 MHz頻率范圍內，軸比小于3 dB，增益近似達到9 dB，仿真和實測結果具有較好的一致性。天線在中心頻率900 MHz處的左旋圓極化（LHCP）和右旋圓極化（RHCP）場的仿真和實測方向性圖如圖9所示，從方向性圖中可以看出天線主極化為LHCP，半功率波瓣寬度達到60°，交叉極化隔離度超過20 dB，圓極化性能良好。

3 結 論

本文根據(jù)工程應用設計了一款全球通用超高頻RFID系統(tǒng)的圓極化微帶天線。天線選用空氣介質和疊層結構，利用改進T型功分移相饋電網(wǎng)絡進行雙饋電實現(xiàn)圓極化工作，并通過中心金屬短路柱加載展寬軸比帶寬，在饋電探針上引入電容性矩形匹配調諧片補償天線感抗部分，以及在饋電網(wǎng)絡彎折處切角的方式來增加天線的阻抗帶寬。仿真和實測結果表明，天線在840～960 MHz頻率范圍內具有較好的特性，駐波比小于1.5，軸比小于3 dB，增益可達9 dB。設計的天線已成功應用于超高頻四通道讀寫器終端，驗證了該設計方案的可行性。該天線成本低廉，加工簡單，適合大批量生產(chǎn)制作，應用前景廣闊。

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