彭海龍

【摘要】 本文設(shè)計(jì)了一種具有低刨面高增益的RFID線極化微帶天線。該天線是一種空氣介質(zhì)的微帶天線，由底板、兩個(gè)矩形輻射單元和一個(gè)饋電結(jié)構(gòu)組成，其中饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)HFSS仿真與優(yōu)化后，實(shí)測(cè)天線駐波小于1.5的帶寬為23MHz，天線最大增益有10.8dB，完全滿足UHF頻段RFID的應(yīng)用要求。該天線產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低廉，具有較高的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)批量生產(chǎn)，并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利證書。

【關(guān)鍵詞】 低剖面 微帶天線 RFID天線 高增益

一、引言

RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用由來(lái)已久，最早可追溯到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)英國(guó)空軍飛機(jī)敵我識(shí)別系統(tǒng)。超高頻（UHF）射頻識(shí)別技術(shù)利用無(wú)源反向散射原理實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離讀取、標(biāo)簽密集性讀取等特點(diǎn)，并在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，例如不停車自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、圖書管理[1]、服裝倉(cāng)儲(chǔ)及物流監(jiān)控[2]、生產(chǎn)自動(dòng)化管理等。天線是RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，因此天線理論研究和應(yīng)用開發(fā)對(duì)RFID技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。

微帶天線具有剖面低、體積小、重量輕、成本低，易于有源電路集成在一起等特點(diǎn)而廣泛研究和應(yīng)用。但由于制作微帶天線的微波材料昂貴，而且微帶天線帶寬窄，這也是微帶天線的缺點(diǎn)，天線的小型化、高增益、高寬帶、低成本等成為微帶天線研究的熱點(diǎn)方向[3]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)RFID讀卡器用的線極化天線，采用空氣介質(zhì)，由兩個(gè)矩形輻射單元組陣而成，用一個(gè)設(shè)計(jì)巧妙的100歐姆的空氣微帶做饋電結(jié)構(gòu)，天線底板為折邊金屬板，經(jīng)過(guò)電磁仿真軟件計(jì)算優(yōu)化后，天線中心頻率為915MHz，天線駐波小于1.5的阻抗帶寬為23MHz，天線最大增益為10.8dB，輻射前后比為20.5dB，具有較好的定向性，完全滿足UHF頻段RFID的應(yīng)用要求。最后加工成實(shí)物，實(shí)測(cè)天線參數(shù)與仿真參數(shù)結(jié)果完全一致。

二、微帶天線的設(shè)計(jì)與仿真

微帶天線輻射單元的幾何形狀有多種，常見的有矩形、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[4]，有一系列比較成熟的理論作為研究依據(jù)，且形狀簡(jiǎn)單、易于加工。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，選擇矩形微帶天線為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)雙輻射單元組陣天線，采用空氣介質(zhì)，天線中心頻率設(shè)定為915MHz，天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

為了降低天線的剖面，輻射單元天線采用10mm的空氣介質(zhì)作為微帶天線的填充介質(zhì)，選用矩形1mm金屬板作為天線輻射單元材質(zhì)，這樣便于批量化生產(chǎn)、降低天線的用料成本，還能提高天線的輻射效率。輻射單元天線的輸入阻抗按照100Ω設(shè)計(jì)，兩個(gè)輻射單元組陣，利用等幅同相饋電技術(shù)壓縮天線在垂直方向的波束寬度來(lái)聚集能量提高天線增益。天線饋電結(jié)構(gòu)中心位置選為整個(gè)天線的輸入端口，焊接同軸射頻座，無(wú)需增加其他阻抗變換結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)該天線輸入阻抗50Ω的標(biāo)準(zhǔn)化。一般天線陣輻射單元的陣間距是0.5-0.9倍的波長(zhǎng)，陣間距過(guò)大則天線方向圖會(huì)出現(xiàn)旁瓣，陣間距過(guò)小則起不到壓縮波束、提高增益的效果。根據(jù)天線小型化思路，取天線間距為0.6倍波長(zhǎng)。選擇其中任意一個(gè)單元天線的中心位置，將天線輻射單元和天線的底板進(jìn)行短路連接，實(shí)現(xiàn)天線的直接接地的防護(hù)設(shè)計(jì)。天線底板四周采用折臂設(shè)計(jì)，將天線的面積進(jìn)行進(jìn)一步縮小，并提高天線輻射的前后比。

Ansoft HFSS是一個(gè)基于有限元法自適應(yīng)劃分網(wǎng)格的高性能三維無(wú)源器件電磁仿真軟件，有著非常友好的圖形界面，可以計(jì)算天線的S參數(shù)、諧振頻率和場(chǎng)，是無(wú)源射頻器件仿真、研發(fā)的利器。通過(guò)準(zhǔn)確的建模、仿真計(jì)算，可以大大提高研發(fā)效率。由于天線底板邊緣豎起了金屬立壁，以及天線輻射單元的厚度、天線底板厚度等原因，天線輻射單元的尺寸做了較大的優(yōu)化處理。優(yōu)化后的天線尺寸為L(zhǎng)=14.4cm，W=10.0cm，L1=37cm，W2=22cm。

圖2中可以看到，天線的S11參數(shù)曲線在915MHz是最低點(diǎn)，這說(shuō)明天線諧振的中心頻率在915MHz；S11參數(shù)小于-15db（可近似認(rèn)為天線的駐波比小于1.5）的駐波帶寬為20M；S11參數(shù)小于-10db（可近似認(rèn)為天線的駐波比小于2）的駐波帶寬為36M；天線輸入端口的阻抗匹配良好，滿足射頻系統(tǒng)的帶寬范圍要求。從天線方向圖的仿真結(jié)果圖（圖3）中可以看到，天線最大仿真增益為11.5db，3db波束寬度45°，天線輻射前后比為-18.7dB，具有較好的定向性，滿足天線波束定向的設(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4所示。

整個(gè)天線材料全部選用金屬鋁板為基材，以降低天線的重量和成本，鋁材表面采用陽(yáng)極氧化防腐工藝處理，提高天線的使用壽命和天線性能的穩(wěn)定性。天線底板選用2mm厚的鋁板，四周做彎折結(jié)構(gòu)，在滿足天線設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，可以提高天線底板的強(qiáng)度，天線外罩、電路板等外圍設(shè)備都是以天線底板為基礎(chǔ)來(lái)做生產(chǎn)組裝的。天線輻射單元選用的是1mm厚鋁板做基材，按照設(shè)計(jì)尺寸裁切后打定位孔，用內(nèi)螺紋雙通塑料螺母將兩個(gè)天線輻射單元固定在天線底板上。其中一個(gè)天線輻射單元的中心位置開孔，經(jīng)過(guò)一個(gè)雙通塑料柱支撐后固定在鉚接在天線底板上的鉚接螺釘上，完成天線的直流接地保護(hù)。連接兩個(gè)輻射單元的空氣微帶結(jié)構(gòu)選用1mm的黃銅材料，因?yàn)橐谄鹬行奈恢煤附由漕l座，采用鋁質(zhì)材料的話不能焊接。按照設(shè)計(jì)尺寸將銅條彎折后，在與天線輻射單元連接地方鉚接內(nèi)嵌螺母，通過(guò)螺釘將饋電結(jié)構(gòu)和天線輻射單元固定在一起，焊接上射頻座并保證同條距底板的距離為2mm，這樣就完成了天線的組裝。

天線實(shí)物用長(zhǎng)約20cm的RG36同軸線焊接好，在微波暗室中測(cè)試天線輸入端口的回波損耗和方向圖，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6。天線的中心頻率為917MHz，S11參數(shù)小于-15db（可近似為天線的駐波比小于1.5）的駐波帶寬為23M；S11參數(shù)小于-10db（可近似為天線的駐波比小于2）的駐波帶寬為34M；天線輸入端口的阻抗匹配良好。從實(shí)測(cè)天線方向圖中可以看到，天線最大增益為10.8dB，3db波束寬度48°，天線輻射前后達(dá)到-20.5dB，具有良好的定向性。對(duì)比天線仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果：天線中心頻率偏移和天線增益的偏差，是由仿真結(jié)果時(shí)對(duì)金屬屬性設(shè)置偏差和實(shí)物加工尺寸的偏差造成的?？傊?，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

將天線裝配到我公司自主研發(fā)的遠(yuǎn)距離讀卡一體機(jī)上，使用美國(guó)意聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽ALN-9662測(cè)試，穩(wěn)定讀卡距離能達(dá)到10米，最遠(yuǎn)讀卡距離能達(dá)到15米，完全滿足工程上的使用，效果良好。

四、結(jié)論

本文根據(jù)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)具有低刨面高增益的RFID線極化微帶天線，該天線是一種空氣介質(zhì)的微帶天線，由底板、兩個(gè)矩形輻射單元和一個(gè)饋電結(jié)構(gòu)組成，其中饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)電磁軟件仿真與優(yōu)化后，天線實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果高度一致，天線駐波小于1.5的帶寬為23M，天線最大增益有10.8dB，完全滿足我國(guó)UHF頻段RFID的應(yīng)用要求，實(shí)測(cè)應(yīng)用達(dá)到滿意效果。該天線產(chǎn)品性能參數(shù)穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低廉，加工簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)組裝，具有較高的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)批量生產(chǎn)，并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利證書。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王顯燕. 關(guān)于RFID技術(shù)在圖書管理中的應(yīng)用研究[J]. 河南圖書館學(xué)刊. 2011年04期

[2] 晏玲. 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)電子商務(wù)商品流通的影響探析[J]. 商業(yè)時(shí)代. 2011年17期

[3] 陳雅娟，龍?jiān)屏? 寬帶微帶貼片天線的研究進(jìn)展[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào). 1999年03期

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

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