UHF RFID閱讀器寬波束圓極化天線設(shè)計(jì)

鐘亞君　吳次南　劉澤文

摘 要： 為擴(kuò)大射頻識(shí)別系統(tǒng)中閱讀器天線的有效識(shí)別范圍，設(shè)計(jì)了一款寬波束圓極化微帶天線。天線采用輸出相位差為90°的功分器正交饋電激勵(lì)起圓極化波，并結(jié)合圓形金屬電容片耦合饋電技術(shù)、貼片表面開(kāi)槽技術(shù)以及使用折疊導(dǎo)體墻結(jié)構(gòu)。整體尺寸為113 mm×113 mm×13.27 mm，圓極化軸比帶寬以及阻抗帶寬均覆蓋840～960 MHz，天線3 dB波瓣寬度為104°，增益值為4.8 dBi。

關(guān)鍵詞： RFID； 圓極化微帶天線； 耦合饋電技術(shù)； 導(dǎo)體墻

中圖分類號(hào)： TN821+.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）05?0085?04

Abstract： In order to expand the effective recognition range of the reader antenna used in the radio frequency identification system， a wide beam circularly?polarized microstrip antenna was designed. The Wilkinson power divider′s orthogonal feeding with 90° output phase difference is used in the antenna to stimulate the circularly?polarized wave. The coupling feed technology of the circular metal capacitance sheets， paster surface slotting technology and fold conducting wall structure are combined in the antenna. The overall dimension of the antenna is 113 mm×113 mm×13.27 mm. The circularly?polarized axial ratio bandwidth and impedance bandwidth are 840～960 MHz. The 3 dB beam width of the antenna is 104°， and its gain is 4.8 dBi.

Keywords： RFID； circularly?polarized microstrip antenna； coupling feed technology； conducting wall

0 引 言

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)正應(yīng)用于各行各業(yè)。RFID讀寫器天線、電子標(biāo)簽天線的性能對(duì)提高整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的性能有著重要的意義[1]。在多標(biāo)簽識(shí)別應(yīng)用中，不僅要求閱讀器天線具有良好的圓極化特性，以免出現(xiàn)極化失配導(dǎo)致漏讀情況發(fā)生，而且天線的識(shí)別范圍需要足夠大以覆蓋待測(cè)標(biāo)簽。同時(shí)，電子標(biāo)簽容易受到環(huán)境的影響，其諧振頻率可能發(fā)生偏移[2]，這要求閱讀器天線具有寬頻帶特性。

目前實(shí)現(xiàn)圓極化天線可使用單點(diǎn)饋電法、多點(diǎn)饋電法或者多元法[3]。其中多點(diǎn)饋電法可以得到較寬軸比帶寬，極化性能較好。擴(kuò)展工作帶寬方法多種多樣，例如在輻射貼片上增加寄生單元可以有效擴(kuò)寬帶寬[4]。對(duì)于擴(kuò)展天線波束覆蓋寬度，實(shí)現(xiàn)方法為控制波束掃描或者增加天線單元3 dB波瓣寬度。天線波束偏轉(zhuǎn)需要設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)和控制電路[5]，制作相對(duì)復(fù)雜，成本較高，文獻(xiàn)[6?7]用導(dǎo)體墻結(jié)構(gòu)有效擴(kuò)寬了天線3 dB波瓣寬度，其主要應(yīng)用于基站天線，本文嘗試將金屬導(dǎo)體墻結(jié)構(gòu)運(yùn)用于RFID閱讀器天線設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)出寬波束圓極化閱讀器天線，使用威爾金森功分器正交饋電激勵(lì)起兩個(gè)幅度相等、相位相差90°的正交模以實(shí)現(xiàn)圓極化波，使用圓形金屬電容片對(duì)微帶貼片進(jìn)行耦合饋電以擴(kuò)寬工作帶寬，圓極化軸比帶寬以及阻抗帶寬均覆蓋840～960 MHz。運(yùn)用折疊導(dǎo)體墻結(jié)構(gòu)使天線獲得104°，3 dB波瓣寬度，并設(shè)計(jì)空氣層結(jié)構(gòu)作為介質(zhì)適當(dāng)提高天線增益，增益值為4.8 dBi。利用曲流技術(shù)在貼片表面開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)天線小型化，總體尺寸為113 mm×113 mm×13.27 mm。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線主體部分為微帶天線，輻射貼片的寬度可由以下關(guān)系式[8]得到：

由圖4的仿真結(jié)果可知，在頻率為920 MHz時(shí)，兩個(gè)輸出端口實(shí)現(xiàn)約90°相位差，回波損耗在中心頻率附近為-36 dB。功分器實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)輸出端口能量基本相等，相位相差90°，其諧振頻率滿足設(shè)計(jì)要求，可用于給天線主體饋電。

3 天線參數(shù)仿真與調(diào)試

天線采用空氣層結(jié)構(gòu)和導(dǎo)體墻結(jié)構(gòu)，其諧振頻率將偏離理論計(jì)算初值，利用電磁仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）調(diào)試結(jié)構(gòu)參數(shù)。導(dǎo)體墻與貼片間距影響3 dB波瓣寬度和天線增益，導(dǎo)體墻與輻射貼片距離越近，能量將集中在腔體中，導(dǎo)致增益減小[11]，綜合考慮變量與性能的關(guān)系，最終得到參數(shù)值如表1所示。

由圖5可知，天線增益值約為5.4 dBi，3 dB波瓣寬度為104°，天線輻射主體仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

將設(shè)計(jì)好的功分器與天線主體組合構(gòu)成整體模型仿真與優(yōu)化，整體尺寸為113 mm×113 mm×13.27 mm。回波損耗仿真結(jié)果如圖6所示，功分器與天線主體結(jié)合后，諧振頻率有所偏移，因?yàn)楣Ψ制鹘Y(jié)構(gòu)改變了天線阻抗值，回波損耗小于-10 dB，帶寬增大。軸比仿真結(jié)果如圖7所示，軸比小于3 dB帶寬，覆蓋840～960 MHz。方向圖仿真結(jié)果如圖8所示，增益減小為4.8 dBi，3 dB波束寬度為104°。

4 結(jié) 論

通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析等研究表明，本設(shè)計(jì)采用輸出相位差為90°的功分器正交饋電使天線實(shí)現(xiàn)了良好的圓極化特性，電容金屬片耦合饋電有效提高了工作帶寬，天線輻射主體與功分器相互影響，最終實(shí)現(xiàn)較寬工作頻段，貼片表面開(kāi)槽技術(shù)縮小了天線尺寸，空氣層結(jié)構(gòu)增加了天線增益，使用導(dǎo)體墻結(jié)構(gòu)有效擴(kuò)展了天線3 dB波瓣寬度。該設(shè)計(jì)得到了一款用于UHF RFID閱讀器的寬波束、寬頻帶小型圓極化天線，其總體性能良好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為劉澤文。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宜菲.超高頻RFID天線設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（11）：113?114.

[2] 彭章友，孟春陽(yáng)，任秀方，等.一種寬頻帶RFID閱讀器天線的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（5）：19?23.

[3] 吳建平.RFID系統(tǒng)圓極化寬頻帶讀寫器天線的設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[4] YANG J， LU C L， HU Y J， et al. Design and analysis of a broad band wide beam circular polarization microstrip antenna [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Shenzhen， China： IEEE， 2012： 1?4.

[5] ABBAK M， TEKIN I. RFID coverage extension using microstrip?patch antenna array [J]. IEEE antennas and propagation magazine， 2009， 51（1）： 185?191.

[6] YE X H， HE M， ZHOU P Y. A compact single?feed circularly polarized microstrip antenna with symmetric and wide?beamwidth radiation pattern [J]. International journal of antennas and propagation， 2013（6）： 1?7.

[7] NAKANO H， SHIMADA S， AMAUCHI J， et al. A circularly polarized patch antenna enclosed by a folded conducting wall [C]// Proceedings of 2003 IEEE Topical Conference on Wireless Communication Technology. Tokyo： IEEE， 2003： 134?135.

[8] 李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[9] LU Y L， CUI H R， SUN X W， et al. A simple UHF RFID circularly?polarized reader antenna design [C]// Proceedings of 2011 IEEE Symposium on Electrical Design of Advanced Pa?ckaging and Systems. Hanzhou， China： IEEE， 2011： 1?2.

[10] 黃韜妃.RFID微帶天線的研究與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[11] 葉喜紅.寬帶寬波束圓極化天線的小型化理論與設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.