一種2.45 GHz頻段RFID讀寫器天線

摘 要:2.45 GHz頻段是RFID常用的頻段之一，針對該頻段的一款讀寫器天線進行了詳細的分析并進行了改進。借助ANSOFT HFSS 10.0計算軟件對天線系統進行了仿真分析，在樣本天線的基礎上，通過對貼片邊緣開槽，使天線在保持高增益的情況下，在更寬的頻帶上具有更好的穩定性，同時也減小了天線的尺寸，使天線整體性能更加完善。

關鍵詞:微帶天線; 圓極化; 縫隙耦合; RFID

中圖分類號:TP82 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0059-05

RFID Reader Antenna Working at Band of 2.45 GHz

GONG Hai-bo1，2， WU Yue-shan1，2， LIU Yi-chang2

(1.School of Information Science Technology， Northwest University， Xi’an 710127， China;

2.Invengo Information Technology Co. Ltd.， Shenzhen 518057，China)

Abstract: 2.45 GHz band is one of the frequency bands which is commonly used in RFID. A reader antenna working at the band is analysed and improved. The antenna system is simulated and analyzed by the aid of ANSOFT HFSS10.0 calculation software. By slotting the patch edge of the sample antenna，the antenna has better stability at a wider band in the case of keeping high gain， and the size of the antenna can be reduced in this way. Therefore the overall performance of the antenna is perfect.

Key words: microstrip antenna; circular polarization; slot-coupling; RFID

0 引 言

微帶天線以其體積小，重量輕，低剖面，易于加工以及易與電路集成等諸多優點，在通信等領域得到廣泛的應用。目前，高性能圓極化微帶天線的應用愈加廣泛，由于圓極化波入射到對稱目標時具有旋向逆轉的特性，同時，圓極化天線可以接收任意極化的來波，而其輻射波也能被任意極化的天線接收到，因此其特性得到普遍應用。

隨著RFID技術的發展，對讀寫器天線，尤其是微帶天線的尺寸、性能有了更高的要求。因此，國內外學者對微帶天線的小型化、寬頻帶、高增益等技術做了廣泛而深入的研究。但是尺寸的過分縮減會引起天線其他性能的急劇劣化，其中帶寬與增益尤為明顯，而對方向圖影響不大，因此各個參數與性能之間需折衷考慮。

本文分析改進了一款基于縫隙耦合的2.45 GHz讀寫器圓極化微帶天線，在樣本天線的基礎上通過對貼片邊緣進行開槽，并對整體進行優化設計，折衷考慮各個參數性能，最終使改進后天線的帶寬、增益、尺寸等性能參數都有了提升，得到了性能更好的一款天線。

1 縫隙耦合微帶天線理論與模型分析

微帶天線饋電除了微帶線饋電和同軸線饋電兩種基本方式外，還包括臨近耦合饋電、縫隙耦合饋電、共面波導饋電等一些新技術。選擇合適的饋電方式要綜合考慮多種因數，最重要的是能夠使輻射結構與饋電結構之間有效地傳輸能量，兩者之間要阻抗匹配。為了降低微帶天線的偽輻射和表面波損耗，以及減少旁瓣電平和交叉極化電平等，一個重要的措施就是改善饋電方式[1]。

1.1 縫隙耦合微帶天線特點分析

綜合比較，縫隙耦合饋電天線具有低剖面結構[2]，易于和微波電路連接，可使天線極化純度極好，容易調節阻抗匹配，而且容易得到大帶寬。兩層介質被接地平面隔開，底層的微帶饋線通過接地平面上的縫隙耦合能量到上層的貼片。通常輻射層使用低介電常數介質不僅能提高輻射特性，還可以展寬天線頻帶;饋線層多采用高介電常數的介質。輻射層的介質較厚可以展寬天線頻帶和提高輻射能力，而饋線層則盡量薄，以減小寄生輻射，從而獲得良好的傳輸性能。耦合縫隙一般位于貼片的近中心位置，以使貼片獲得最大的耦合量。通過調整耦合縫隙的長度、縫隙形狀、饋線寬度、饋線開口端短截線的長度等參數[3]，可以增加貼片的耦合量，改善天線帶寬。例如文獻[4]中提出了一個口徑耦合饋電的單貼片微帶天線，其阻抗帶寬達到21%左右。

1.2 縫隙耦合微帶天線理論模型

通過縫隙耦合微帶天線的理論模型可以了解樣本天線的工作原理，并加深天線參數對天線性能影響的認識，這對仿真設計具有指導意義。縫隙耦合微帶天線理論模型及其等效電路如圖1，圖2所示。

圖1 縫隙耦合微帶天線結構

圖2 輻射貼片等效電路

圖3 縫隙耦合微帶天線等效電路

圖3中，把輻射貼片看做是只沿x軸方向傳播的TEM波傳輸線，其邊緣接G+jB的負載而產生反射。Z1和Z2分別為從Ⅰ面和Ⅱ面看進去的輸入阻抗，有:

Zpatch=Z1+Z2(1)

在分析縫隙與貼片耦合的變壓器模型時，認為貼片只有x軸方向的電流存在，縫隙線兩邊皆為TEM模式，地板上縫隙只獲取貼片上一部分電流，而這部分電流通過縫隙耦合到微帶饋線上。這樣，變壓系數n1便等于流過縫隙的那部分電流與總電流量之比，于是有n1=La/b，這為第一級變壓器。

如圖2等效電路所示，導納Yap代表縫隙周圍的儲能。可認為，該縫隙為兩終端短路的縫隙線。第二級變壓器的變壓系數由n2=ΔV/V0計算得到。其中，ΔV為微帶饋線中模式電壓的不連續量;V0為縫隙電壓。

考慮到開路枝節，總的輸入阻抗為:

Zin=n22n21Ypatch+Yap-jZccot(ktLs)(2)

式中:Zc和kt分別為微帶線的特性阻抗和波常數;Ls為微帶線開路枝節的長度;n2La/Dh，其中D為饋線的有效寬度，h為介質厚度。

2 樣本天線的結構與性能分析

樣本天線的結構是在理論模型的基礎上改進而來的。樣本天線的結構如圖4所示。

圖4 樣本天線模型

2.1 樣本天線饋線分析

微帶天線的圓極化工作通過使用兩個獨立的饋源或一分二功分器的單個饋源來激勵實現，前者的帶寬相對較窄。樣本天線的饋電系統采用單個饋源來激勵，以調節阻抗匹配線接入饋線雙臂的位置，使饋線雙臂的長度相差λ/4，容易實現兩個端口的激勵等幅而相位差為90°，從而實現圓極化。可以根據實際的需要，通過調整阻抗匹配線的彎折方向來實現左旋或右旋的圓極化，饋電方式簡單實用。

2.2 樣本天線耦合縫隙分析

由于縫隙形狀及參數影響電磁耦合量[5]，從而對天線的帶寬造成影響。選擇合適的縫隙可以有助于天線帶寬的展寬。常用雙端口圓極化天線形式如圖5所示。

圖5 常用雙端口圓極化天線

樣本天線的耦合縫隙外側選擇了圖5中(c)的形式，分析比較后發現，(c)的形式更適合天線小型化的應用。在(c)的基礎上，參照常用的“工”型、“十”型、“H”型，形成圖6所示的耦合縫隙，結構更緊湊，可調參數更多。通過調節中心縫隙大小可以獲得較大的耦合量。縫隙的參數決定了耦合量，耦合量對于諧振頻率影響很大，充分的耦合會顯著降低諧振頻率。縫隙的寬度對耦合量影響不是很大，相比較來說縫隙的長度對耦合量的影響比較大。縫隙太窄，因為耦合量不夠，諧振阻抗會小于饋線的特性阻抗。縫隙太寬，又會影響方向圖的前后比從而減小輻射效率。縫隙長度增長，諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這也說明縫隙長度越長，貼片與饋線之間能量耦合能力越強。

2.3 輻射層、饋線層介質分析

樣本天線的輻射層介質為空氣，饋線層介質為聚乙烯。輻射層的空氣介質介電常數低而厚度較厚，在提高輻射特性的同時可展寬天線頻帶。饋線層介質介電常數較高而厚度較薄，在減小寄生輻射的同時可獲得良好的傳輸性能[6，7]。

2.4 樣本天線結構分析

樣本天線在縫隙耦合微帶天線理論模型的基礎上，進行了饋線結構與耦合縫隙的改善，使得天線在結構簡單的同時，有利于天線的小型化設計，同時也兼顧了天線帶寬的提高。另外，輻射層和饋線層介質的選擇也是基于提高天線帶寬考慮的。可以看出，天線結構是在小型化和寬頻帶之間折衷考慮來設計的。因此如何提高天線帶寬從而提升天線性能還有待深入分析設計。

3 樣本天線的改進分析

微帶天線展寬頻帶的方法可以概括為以下幾點[8，9]:

(1) 采用厚基片。缺點是在增加帶寬的同時，降低了天線的效率。

(2) 附加寄生貼片。這種方法又包括共面配置和上下配置兩種實現形式，缺點是展寬頻帶的同時也加大了天線的尺寸。

(3) 微帶貼片開槽。微帶天線的表面電流分布依賴于貼片的幾何結構，通過在貼片表面開槽，使原來的等效諧振電路變為雙諧振電路，達到展寬天線頻帶的目的，而且電流的有效路徑變長，貼片諧振頻率降低，有利于天線的小型化。

為了在增益、尺寸、帶寬方面折衷考慮，本文對于貼片形狀進行了改進，采用在貼片邊緣開槽的方法，使得天線性能得到了很大的提升。

4 改進后的天線設計

4.1 改進后的天線結構

通過對矩形貼片邊緣開槽，改變貼片上的電流分布，天線在原諧振頻率附近可產生二次諧振。通過調整槽的尺寸，使兩個諧振頻率適當接近，以形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路。貼片邊緣的電流分布密集，在邊緣開槽，開槽尺寸小而擴展帶寬顯著，同時可起到減小天線尺寸的效果。本文通過減小貼片尺寸和減小空氣介質厚度相結合的方法來調整諧振特性，在減小貼片尺寸的同時可以減小天線的剖面厚度，這樣可解決文獻[10]中尺寸減小而帶寬變窄、增益降低的問題。

改進后的縫隙耦合微帶天線結構如圖6、圖7所示，相應的結構尺寸如表1所示。

圖6 改進后的天線尺寸

圖7 改進后的天線結構

4.2 改進后的天線性能分析

開槽后的貼片，W邊主要控制高頻諧振頻率，L邊主要控制低頻諧振頻率。通過改變L邊和W邊的尺寸，可以調節天線諧振參數，如圖8~圖11所示(圖中所標數字表示調節的順序)。

如圖8所示，當P2的增加量較小時，低頻諧振頻率幾乎不變，低頻諧振深度先增后減。此時，高頻諧振頻率不斷上升，高頻諧振深度先減后增。隨著P2的增加，高、低諧振頻率的差值不斷增大。如圖9所示，當L2的增加量較小時，低頻諧振頻率幾乎不變，低頻諧振深度先增后減，此時，高頻諧振頻率不斷上升，高頻諧振深度先增后減，隨著L2的增加，高、低諧振頻率的差值不斷增大。

如圖10所示，隨著W2的遞減，低頻諧振頻率變化不大，低頻諧振深度先增后減。此時，高頻諧振頻率不斷上升，高頻諧振深度不斷減小。如圖11所示，隨著P1的增加，低頻諧振頻率幾乎不變，增加量偏大后會有所上升，諧振深度先增后減。高頻諧振頻率開始變化較小，后隨P1變化量的進一步增大而升高，高頻諧振深度先增后減。

調節好參數后，反射損耗曲線在工作頻率附近有一個突起，這一般是圓極化性能最好的位置，通過對高、低諧振頻率點的控制，可以在2.45 GHz諧振頻率附近得到較大的帶寬、增益和較好的方向圖。上層介質板的介電常數影響天線的阻抗帶寬，介電常數越低，厚度越厚，頻帶越寬，但是厚度的增加會使貼片與縫隙之間的耦合減弱，表面波增強，因此需折衷考慮。本設計中上層介質為厚度較厚的空氣介質，介電常數較小，采用開槽貼片和調節介質厚度相結合來調諧參數，在提高天線性能的同時有利于天線的小型化。

圖10 W2變化(遞減1 mm)

圖11 P1變化(遞增1 mm)

4.3 改進前、后的天線結果比較

改進后的天線模型中空氣介質變薄近2 mm，在貼片面積減小的同時天線剖面進一步減小。由圖12~圖14可以看出，開槽后駐波比小于2時的工作帶寬約為570 MHz(2.07~2.64 GHz)，開槽前駐波比小于2時的工作帶寬約為300 MHz(2.25~2.55 GHz)，開槽后駐波比小于1.5的工作帶寬接近410 MHz，而且在駐波比小于1.5的頻帶內更加平坦，可見開槽后帶寬性能得到很大提高。開槽后天線增益變化不大，約為7.57 dBi。開槽后帶寬、增益都比文獻[3，4，10]中論述的要好。由方向圖可以看出，天線的方向性較好，后瓣偏大，主要由于饋線處于完全開放的空間中，如果在天線下方放置一塊反射板，則可大大減小后瓣，但是接地板上會激勵起表面波，表面波傳播到有限尺寸接地板邊緣會產生邊緣繞射，因此會對天線產生不可預料的結果，而使一些性能反而變差。例如，方面圖變得凹凸不光滑等，因此需反復調試反射板的參數。

圖12 S11曲線

圖13 VSWR曲線

圖14 貼片開槽前、后方向圖

為了減小后瓣，還可使用更高介電常數的饋線層介質板，從而增強介質對場的束縛，以減小后向輻射，同時減小背面饋電微帶線寬，從而減少饋線雜散輻射的干擾。另外，可以通過增加輻射層數，提高系統性能，這些還有待進一步研究。

5 結 語

在詳細分析研究縫隙耦合微帶天線后，對于一款2.45 GHz頻段RFID讀寫器微帶天線的貼片進行了開槽改進，對于開槽的位置、尺寸進行了詳細的討論，從而可在增大帶寬和實現小型化方面，使天線性能得到提升，最終實現了一款體積小巧、性能優越的2.45 GHz頻段RFID讀寫器微帶天線。從仿真結果來看，天線匹配良好，天線性能優越，完全符合讀寫器的工作要求。

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