用于UHF頻段射頻識別系統(tǒng)的小型右手圓極化四臂螺旋天線設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)了一種用于UHF 頻段射頻識別系統(tǒng)的小型右手圓極化四臂螺旋天線。天線由四塊印刷介質(zhì)板裝配組成，輻射部分為印制在介質(zhì)板的4個金屬條帶臂，通過微帶威爾金森功分器饋電。通過對關(guān)鍵參數(shù)的仿真優(yōu)化，天線尺寸為60 mm × 60 mm × 8 mm，峰值增益為4.2 dB，帶內(nèi)軸比＜ 3 dB，3 dB 波束寬度＞ 120°。實(shí)物測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

1引言

射頻識別(RFID)技術(shù)近年來得到了廣泛的重視和應(yīng)用。UHF頻段的RFID 系統(tǒng)，由于其傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高，受到了更多地關(guān)注［1］。典型的RFID系統(tǒng)由RFID 閱讀器和標(biāo)簽兩部分組成，RFID無源標(biāo)簽依靠RFID 閱讀器發(fā)射的電磁信號供電，并通過反射調(diào)制電磁信號與閱讀器通信。因此，RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對其系統(tǒng)工作性能有關(guān)鍵的影響。

隨著手持移動端RFID讀寫設(shè)備的發(fā)展，減小天線尺寸成為了讀卡器天線設(shè)計(jì)中非常重要的設(shè)計(jì)要求，同時由于使用場景的復(fù)雜性，RFID無源標(biāo)簽的姿態(tài)的非固定性，良好的圓極化性能也不可或缺。不同的應(yīng)用場景對讀寫距離的要求也不同，如資產(chǎn)管理和人員管理應(yīng)用中，要求最少數(shù)米的讀寫距離，這就對設(shè)備內(nèi)置天線的增益提出了要求。另一方面，為了便于與移動設(shè)備集成使用，要求天線具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，重量輕的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的讀寫器天線包括偶極子天線，折合振子天線，陶瓷微帶天線等均不能滿足讀寫器天線對于高圓極化性能的要求［2］［3］。四臂螺旋天線由于其出色的圓極化性能被等人應(yīng)用于RFID系統(tǒng)中。印刷四臂螺旋天線繼承了四臂螺旋天線圓極化性能好，軸向輻射等特性，同時又具有制作簡單，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。Wang-Ik Son等人將PIFA天線應(yīng)用于印刷四臂螺旋天線并分析了天線的匹配原理［4］，本文在此基礎(chǔ)上對天線的饋電匹配和輻射結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)合印刷四臂螺旋天線和PIFA天線的形式提出了一種小尺寸、低剖面、高性能的圓極化射頻識別天線。

2天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用三維電磁設(shè)計(jì)軟件HFSS13.0對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化。天線模型示意圖如圖1所示。

1a整體結(jié)構(gòu)

天線由四個改進(jìn)的PIFA天線以四臂螺旋的形式組成。整個天線結(jié)構(gòu)由四塊介質(zhì)板組成，中間兩塊小介質(zhì)板采用卡子形狀設(shè)計(jì)以保證物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和牢固。天線的功分饋電網(wǎng)絡(luò)印制在下層介質(zhì)板上的，四個PIFA天線印制在上層及中間介質(zhì)板上。PIFA天線印制在介電常數(shù)3.5，厚度1mm的F4BM350介質(zhì)板上，每個天線由印制在上層介質(zhì)板的輻射臂和中間介質(zhì)板的匹配饋電結(jié)構(gòu)組成。

1b側(cè)視圖

1c天線饋電網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

圖 1 天線模型示意

3天線關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

天線部分參數(shù)示意如圖2所示。中間部分為天線的饋電匹配結(jié)構(gòu)，用于設(shè)計(jì)天線的阻抗匹配已達(dá)到最佳性能，設(shè)計(jì)對這一部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是該天線的重點(diǎn)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，參數(shù)H主要影響天線的諧振頻率，這是H長度的金屬條帶本身既具有饋電傳輸能量的作用，同時也是PIFA天線諧振臂的一部分，從而影響天線的主諧振頻率。L1和L2決定了PIFA天線短路匹配結(jié)構(gòu)的位置和長度，主要影響到天線輸入阻抗的虛部大小，可以等效為在天線輸入端加載電容電感的效應(yīng)，L2同時也會影響到PIFA天線輻射臂的長度大小，從而影響到主諧振頻率。各參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表1所示，此時天線達(dá)到最佳匹配效果。

圖2 天線部分參數(shù)示意圖

表1 各參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

4天線加工與測試結(jié)果

天線加工實(shí)物圖如圖3所示，為了方便與后級系統(tǒng)連接，饋電端口用一根一端為SMA接口的引線引出。天線的各指標(biāo)仿真與測試結(jié)果在下圖處給出。圖4為天線回波損耗結(jié)果圖，仿真和測試結(jié)果基本趨勢吻合良好，但存在一定頻偏，可能是材料的介電常數(shù)不穩(wěn)定，以及加工裝配誤差所導(dǎo)致。圖5是天線峰值增益結(jié)果圖，仿真與測試基本吻合，實(shí)測最大增益約為4.1dBic，與仿真最大4.2dB基本一致，圖6為922MHz頻點(diǎn)phi=0°主平面的右旋極化增益方向圖，3dB波束寬度大于120°，同樣與仿真結(jié)果吻合良好，這些都說明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3 天線實(shí)物圖

圖4 回波損耗結(jié)果圖

圖5 天線峰值增益結(jié)果

圖6 922MHz頻點(diǎn)方向圖測試結(jié)果

5結(jié)束語

本文利用將四臂螺旋天線和PIFA天線結(jié)合，改進(jìn)了饋電和裝配結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種工作在UHF頻段的新型RFID讀卡器天線，天線整體尺寸60mm*60mm*8mm,與傳統(tǒng)的讀寫器天線相比，具有小型化，低剖面，高增益，寬波束以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，實(shí)物測試與仿真結(jié)果吻合良好。

參考文獻(xiàn)

1慈新新，王蘇濱，王碩． 無線射頻識別( ＲFID) 系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用［M］． 北京: 人民郵電出版社， 2007．

2Z. N. Chen, X. Qing, and H. L Chung, “A universal UHF RFID reader antenna”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 57, no. 5, pp. 1275-1282, May 2009.

3T. N Chang, and J. M. Lin, “ A novel circularized patch antenna with a serial multislot type of loading”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 11, pp. 3345-3348, Nov. 2007

4W.-I. Son, H.-L. Lee, M.-Q. Lee, S.-B. Min, and J.-W. Yu, “Compact square quadrifilar spiral antenna with circular polarization for UHF mobile RFID reader,” in Proc. Asia Pacific Micro. Conf., pp. 2271–2274,Dec. 2010.