周 兵，鄒傳云

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

目前，射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事/物流跟蹤以及新零售等眾多領(lǐng)域。無(wú)源超高頻無(wú)芯片RFID標(biāo)簽憑借其更遠(yuǎn)的傳輸距離、更大的數(shù)據(jù)容量、更快的閱讀速度等優(yōu)勢(shì)，正逐步取代傳統(tǒng)的光學(xué)二維碼[1]。無(wú)源超高頻無(wú)芯片射頻識(shí)別標(biāo)簽以標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的差異，區(qū)分不同物體的信息。不同結(jié)構(gòu)標(biāo)簽的反向散射信號(hào)不同。其差異性在頻域上表現(xiàn)為在特定頻率點(diǎn)是否有諧振波峰或波谷出現(xiàn)[2]。若無(wú)芯片射頻標(biāo)簽以50 MHz的頻率分辨率在頻域進(jìn)行編碼[3]，頻率帶寬將直接影響標(biāo)簽的編碼容量。使用這種編碼方式的高容量無(wú)芯片RFID標(biāo)簽，可用于編碼帶寬較寬的編碼。因此，標(biāo)簽閱讀器天線(xiàn)也應(yīng)該具有較寬的頻帶。

現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)窄帶通信系統(tǒng)，如全球微波互聯(lián)網(wǎng)接入(world interoperability for microwave access,WiMAX)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)系統(tǒng)，會(huì)對(duì)無(wú)芯片RFID標(biāo)簽閱讀器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致讀取的信息出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，RFID標(biāo)簽閱讀器天線(xiàn)必須具備濾波(陷波)功能，從而降低現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的干擾。近年來(lái)，涌現(xiàn)了許多有陷波特性的超寬帶(ultra-wideband,UWB)天線(xiàn)。其中大部分是在單極子天線(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的。其改進(jìn)方法大致可以歸為兩類(lèi)：第一類(lèi)是在輻射貼片或者地板上開(kāi)U型槽、C型槽[4-7]；第二類(lèi)是在輻射單元或地板附近引入寄生單元[8-9]。這些天線(xiàn)存在尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高、難以集成等缺點(diǎn)。

本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，把天線(xiàn)反面的寄生U型線(xiàn)條改為在輻射單元上開(kāi)U型槽，從而在保持天線(xiàn)整體尺寸不變的條件下實(shí)現(xiàn)了陷波功能。該設(shè)計(jì)省去了天線(xiàn)兩面敷銅、過(guò)孔設(shè)計(jì)等復(fù)雜過(guò)程，使天線(xiàn)在保持良好陷波特性的同時(shí)，結(jié)構(gòu)更緊湊、制作更簡(jiǎn)單。

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

本文的天線(xiàn)采用特征阻抗為50 Ω的共面波導(dǎo)饋電，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，深色為金屬部分，淺色為介質(zhì)基板；W0為中心導(dǎo)帶的寬度(即饋線(xiàn)寬度)，s為槽寬，W為介質(zhì)板的寬度，h為介質(zhì)板的厚度，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

圖1 共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of coplanar waveguide

共面波導(dǎo)特征阻抗的計(jì)算公式可由式(1)～式(4)[10]計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：εr、εeff、h、W、W0、s分別為相對(duì)介電常數(shù)、有效介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度、介質(zhì)板寬度、饋線(xiàn)寬度以及饋線(xiàn)與地的間隙；K(k)、K′(k) 分別為第一類(lèi)橢圓完全積分函數(shù)及其補(bǔ)充函數(shù)；k為自變量。

應(yīng)用以上公式，可計(jì)算得出：對(duì)于特征阻抗為50 Ω的共面波導(dǎo)，當(dāng)其饋線(xiàn)寬度W0=2.6 mm時(shí)，饋線(xiàn)與地的間隙s=0.3 mm。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中深色部分為金屬，淺色部分為介質(zhì)。

圖2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the antenna

介質(zhì)基板為聚四氟乙烯材質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，損耗角正切tanδ=0.02，厚度為1.6 mm，通過(guò)在輻射貼片上開(kāi)兩個(gè)U型槽產(chǎn)生3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz陷波。根據(jù)電路理論分析，開(kāi)槽(加載縫隙)相當(dāng)于引入電感和電容的并聯(lián)電路，原有電路因?yàn)椴⒙?lián)諧振點(diǎn)而造成阻抗失配，形成大的反射系數(shù)[11]。一般槽線(xiàn)的長(zhǎng)度可以由式(5)計(jì)算得出[12]。

(5)

式中：fnotch、c、L分別為陷波頻率、自由空間的光速、槽線(xiàn)的長(zhǎng)度。

通過(guò)式(5)可計(jì)算出當(dāng)陷波中心頻率為3.5/5.5 GHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的槽線(xiàn)長(zhǎng)度大約為32.9/20.9 mm。這個(gè)結(jié)果只是一個(gè)大致的范圍，最終槽線(xiàn)的尺寸通過(guò)仿真優(yōu)化才能得出。最終優(yōu)化后的天線(xiàn)參數(shù)如表1所示。

表1 天線(xiàn)參數(shù)Tab.1 Antenna parameters

2 仿真結(jié)果及分析

天線(xiàn)在無(wú)槽、只開(kāi)外槽、只開(kāi)內(nèi)槽、同時(shí)開(kāi)2個(gè)槽這4種情況下，回波損耗(S11)及電壓駐波比(voltage standing-wave ratio,VSWR)對(duì)比如圖3、圖4所示。。

圖3 回波損耗對(duì)比圖Fig.3 Comparison of return loss

圖4 電壓駐波比對(duì)比圖Fig.4 Comparison of voltage standing-wave ratio

由圖3、圖4可知：無(wú)槽時(shí)，在3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz的頻段范圍內(nèi)，S11和VSWR均比較平穩(wěn)，天線(xiàn)沒(méi)有陷波特性，且在2.5～16 GHz的頻率范圍內(nèi)，S11小于-10 dB，VSWR小于2；只開(kāi)外面的U型槽時(shí)，在3.2～3.8 GHz 頻段范圍內(nèi)，S11向上凸起大于-10 dB，VSWR也大于2，天線(xiàn)具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)沒(méi)有陷波特性；只開(kāi)里面的槽時(shí)，在 4.98～6.1 GHz頻率范圍內(nèi)，S11最大值接近0 dB，VSWR比較大，可見(jiàn)天線(xiàn)在此頻段具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz天線(xiàn)沒(méi)有陷波特性；同時(shí)開(kāi)2個(gè)槽時(shí)，天線(xiàn)在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz的頻率范圍內(nèi)，S11大于-10 dB，VSWR大于2，天線(xiàn)具陷波特性，在其他頻率范圍內(nèi)，S11的值都要小于-10 dB。由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)整U型尺寸，很容易實(shí)現(xiàn)不同頻段的陷波特性。

天線(xiàn)增益仿真如圖5所示。

圖5 天線(xiàn)增益仿真圖Fig.5 Simulated gain of the antenna

由圖5可以看出，天線(xiàn)無(wú)槽時(shí)，在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz頻率范圍內(nèi)，天線(xiàn)的增益平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生突變；天線(xiàn)僅開(kāi)外槽時(shí)，在3.2～3.8 GHz頻率范圍內(nèi)的天線(xiàn)增益突然減小，其他頻率范圍內(nèi)的天線(xiàn)增益保持平穩(wěn)；天線(xiàn)僅開(kāi)內(nèi)槽時(shí)，4.98～6.1 GHz頻率范圍內(nèi)的天線(xiàn)增益急劇變小，其他頻率范圍內(nèi)增益沒(méi)有突變；天線(xiàn)開(kāi)內(nèi)槽和外槽時(shí)，在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz頻率范圍內(nèi)的天線(xiàn)增益突然變小，明顯小于其他頻帶內(nèi)的增益，天線(xiàn)表現(xiàn)出了明顯的陷波特性。天線(xiàn)的最大增益接近7.29 dB。

天線(xiàn)輻射方向?qū)Ρ葓D如圖6所示。由圖6可以看出，在較低頻段，天線(xiàn)的最大輻射方向在垂直于天線(xiàn)平面的方向，即天線(xiàn)平面的正上方和正下方，且陷波對(duì)方向圖沒(méi)有產(chǎn)生太大的影響。天線(xiàn)輻射方向圖在高頻段范圍發(fā)生了一定的畸變。

圖6 天線(xiàn)的輻射方向?qū)Ρ葓DFig.6 Comparison of radiation direction of antenna

3 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)天線(xiàn)的正確性，對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行實(shí)物加工與制作。實(shí)際的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，整體尺寸僅為30 mm×26 mm×1.6 mm，天線(xiàn)只有正面有敷銅，地板與輻射貼片在同一個(gè)平面。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試了天線(xiàn)的反射系數(shù)，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 測(cè)量及仿真結(jié)果Fig.7 Measure and simulate results

由圖7可以看出，在4 GHz及5.8 GHz附近，曲線(xiàn)向上凸起，S11的值比較大，天線(xiàn)有明顯的陷波特征，測(cè)量值與仿真值一致性比較好。隨著頻率的升高，測(cè)量與仿真出現(xiàn)了較大的偏差，波形上失真，頻率也有偏移。出現(xiàn)失真的原因在于：FR-4材質(zhì)的高頻性能差，發(fā)生色散；sma接頭與天線(xiàn)的饋線(xiàn)處焊接不牢固；試驗(yàn)室的電磁環(huán)境復(fù)雜，對(duì)天線(xiàn)的影響比較大等。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在天線(xiàn)的輻射貼片上開(kāi)U型槽，產(chǎn)生阻抗失配，形成陷波特性。仿真和測(cè)試結(jié)果表明，天線(xiàn)過(guò)濾WiMAX及WLAN頻段的信號(hào)，使系統(tǒng)免受這兩個(gè)頻段信號(hào)的干擾。且天線(xiàn)的帶寬為13.5 GHz，非常適合作為無(wú)芯片射頻識(shí)別標(biāo)簽閱讀器天線(xiàn)。天線(xiàn)采用共面波導(dǎo)饋電，整體尺寸為30 m×26 mm×1.6 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，制作簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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