一種圓極化RFID天線陣的設計

彭海龍

【摘要】 本文在完成單元圓極化微帶天線設計和饋電網絡等相關問題的基礎上，設計了一個16單元的2.45GHz圓極化微帶天線陣，用電磁仿真軟件Ansoft HFSS完成天線仿真設計，優化了天線的性能，最后加工成實物天線。通過微波暗室對實物天線參數測試，實測結果與仿真結果基本一致。天線安裝在有源RFID系統中，讀卡范圍得到有效控制，效果達到滿意。此天線產品成本低、加工簡單、易于生產組裝，已經批量生產，并獲得了國家實用新型專利。

【關鍵詞】 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點，已經被廣泛的應用在移動通信、衛星通信、導航等領域[1]。但用于制作微帶天線的微波材料價格昂貴，而且微帶天線帶寬窄，這也是微帶天線的缺點。

隨著射頻技術的發展，射頻識別產品已經在現實生活中得到了廣泛的應用，例如停車場輛管理系統、不停車自動收費系統、人員管理、電子防偽、物流監控、生產自動化管理等。我公司已經研發出多款射頻產品，其中2.45G有源產品的一個應用方向是對特定范圍內的卡片進行讀取。本文在已有定型外殼的有限空間范圍內設計了一個16單元的2.45G圓極化微帶天線陣，通過板材選取降低天線成本（在實際工程允許條件下犧牲了部分天線增益），進行了HFSS仿真、實物加工以及微波暗示測試，實測結果與仿真結果基本一致，實際應用中達到了滿意的效果。

二、微帶天線陣的設計與優化

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用形狀，有一系列比較成熟的理論作為研究依據，并且設計簡單，便于圓極化波產生。微帶天線還有一個顯著的優點就是便于圓極化工作的實現，常用方法主要有[2]：1、切角微擾一點饋電法；2、相位差90°的兩點饋電法；3、微帶天線陣構成圓極化微帶天線法。

本文從實際應用出發，選擇矩形微帶天線為基礎，采用切角微擾微帶側饋的方法實現圓極化功能，將饋電網絡和天線單元布局在一起。這種方法無需外加移向網絡和功分器就可實現圓極化輻射，且有助于保證天線成品性能的一致性。

2.1 微帶天線單元的設計[3]

為了降低成本，本文選擇通用的PCB板材環氧布基板為介質基板，相對介電常數為εr=4.6，取基板厚度h= 1.6mm，天線中心頻率為2.45GHz。由式（1）～（4） 和已知參數計算得到： 單元天線長度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度L決定，單元天線寬度W對天線的效率和增益會有影響。

Ansoft HFSS是一個用于任意三維無源器件的高性能全波電磁場仿真器，它使用有限元法自適應劃分網格和杰出的圖形界面，可用于計算S參數、諧振頻率和場[5]。用Ansoft HFSS對天線單元進行仿真，優化并確定天線尺寸參數。為了便于圓極化的產生，暫取L=W=28.3mm，側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化仿真計算。選用特征阻抗為150歐母微帶線做側饋線，經公式計算其寬度為WS=0.5mm，設置激勵端口為150歐姆，設置自動優化參量，仿真的中心頻率為2.45G，掃頻范圍為2.2GHz～2.8GHz，優化后天線尺寸值為L=W=29mm，ΔS=4.5mm。單元天線的仿真Smith圓圖結果如圖1所示。

在圖1中看到阻抗特性曲線經過圓圖中心，說明在帶寬內阻抗匹配良好，且有一個明顯凹點，這說明天線出現了簡并模分離，實現了圓極化功能。優化后，單元天線在2.45GHz的回波損耗為-21db，S11參數小于-10db的帶寬是110MHz，仿真單元天線的增益為2.4dB，這主要是因為環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計與優化

天線單元的軸比和中心頻率滿足設計要求，因為此天線陣要解決的問題實現是讀卡范圍的可控性，主要是對天線的波束和天線的前后輻射比提出了要求。根據以往的工程經驗以及天線增益的需要，將天線設計為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，此時的波長是指電磁波在介質中的波長。取X軸、Y軸方向陣列單元間距為，仿真優化后天線的間距為51mm。為了饋線方便布設，天線單元旋轉180度，同時天線陣采用等幅異相饋電，并通過微帶線作相位補償。用微帶二等分功分器做饋電網絡，根據傳輸線阻抗變換理論公式Zin=Z02/ZL計算微帶線的特征阻抗，進而得出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， S11參數小于-10db范圍是2.34GHz ～2.54GHz，這說明天線陣阻抗匹配良好，能夠滿足有源射頻系統的頻帶范圍要求。從天線陣方向圖的仿真結果圖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，滿足對天線陣波束的設計要求。

三、微帶天線陣加工及測試

在上述天線設計基礎上，本文對天線做了實際加工和測試。天線實物如圖5所示。

為了提高天線的性能穩定性和抗腐蝕的能力，天線PCB板采用了沉金工藝處理。天線實物用長約20cm的RG36同軸線焊接好，同軸線的另一端連接一個SMA公頭。在微波暗室里測試天線輸入端口的回波損耗S11參數[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；暗室實測天線方向圖如圖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，實測結果與仿真結果基本一致。圖8數據表明，天線增益在整個頻率范圍內比較穩定，天線在2.422GHz～2455GHz范圍內都滿足圓極化要求，圓極化特性在2.438GHz最好。與仿真結果相比，天線的中心頻率有偏移、天線增益有誤差，這些誤差往往是因為板材參數誤差和加工誤差產生的，引入天線罩后，天線的中心頻率會向低頻段偏移。

將天線實物接入2.45G有源射頻識別系統中，選用我公司不同型號的卡片進行應用測試，讀卡范圍得到有效控制。特別是在車輛管理應用中，通過讀卡器功率調整，可以只讀取一個車道寬度內的射頻卡片。在前向讀卡距離滿足工程應用的前提下，背向讀卡距離得到了有效控制，基本不讀卡，達到了最初的應用設計目標。

四、結論

本文利用經驗公式和HFSS電磁仿真軟件完成了單元天線和天線陣的設計，在滿足工程應用的情況下選擇板材降低了天線的成本。實物測試結果和仿真結果基本保持一致，驗證了仿真數據的可信度；將此天線應用在有源RFID系統中，讀卡范圍得到有效控制，達到了滿意效果。此天線產品成本低、加工簡單、易于生產組裝，已經批量生產應用，并獲得了國家實用新型專利證書。

參 考 文 獻

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

[2] 薛睿峰，鐘順時. 微帶天線圓極化技術概述與進展[J]. 電波科學學報. 2002年04期

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

[4] 張鈞，劉克誠. 微帶天線理論與工程[M]. 國防工業出版社. 1988

[5] 任偉，曾文波. 2.4GHz/12GHz微帶天線的設計—基于HFSS9.2軟件微帶天線的設計[J]. 廣西工學院學報. 2005年S3期

[6] 黃坤超. “矢量網絡分析儀的時域功能在天線測量中的應用”[J]. 電子技術. 第47卷第3期