一種適用于雙頻雙層微帶天線的小型化設(shè)計

一種適用于雙頻雙層微帶天線的小型化設(shè)計

雙頻微帶天線rfid通信技術(shù)是一種無線通信技術(shù)。它可以通過rfid信號識別目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。廣泛應(yīng)用于物流管理、電子費用和動物識別等領(lǐng)域。讀寫器控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號,并接收標(biāo)簽的應(yīng)答,對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進行解碼,將對象標(biāo)識信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。天線就是連接信息的橋梁,起著至關(guān)重要的作用。近年隨著物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展,手持式讀寫器也對天線提出了新的要求———小型化、低成本、小質(zhì)量、高增益天線。雙頻微帶天線的設(shè)計思路有兩個:一個是增加單個微帶天線的帶寬,使兩個頻段包含在微帶天線的帶寬范圍內(nèi);另一個是將微帶天線工作在離散的兩個頻段。第一種適合頻率間隔較小的雙頻微帶天線;后一種克服了頻率間隔大小這個限制,對于頻率間隔任意大的雙頻微帶天線提供了設(shè)計思路。常采用的方法有:文獻在單一貼片上采用偏置同軸饋電實現(xiàn)正交模式的同時激發(fā)TM01與TM10實現(xiàn)雙頻工作;文獻通過加載或者開槽的方法使諧振頻率受到干擾;文獻將由工作在兩個頻段的單饋點微帶天線層疊起來實現(xiàn)雙頻天線,顯然這種設(shè)計增加了天線的體積,不適用于手持式讀寫器。文獻采用分形的思想設(shè)計了一款雙頻天線,缺點是天線的尺寸比較大為255mm×255mm。為了解決前述問題,本文提出一種新型雙頻微帶天線,選用廉價FR4板材,對四角切角,結(jié)合縫隙結(jié)構(gòu)使電流繞槽邊曲折流過路徑邊長,采用單饋點技術(shù)實現(xiàn)了對稱的輻射方向性圖。適用于頻率為920MHz與2.45GHz射頻識別系統(tǒng),或者是2.4GHz無線通信。天線結(jié)構(gòu)簡單,便于加工,性能優(yōu)良。1天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計首先從微帶天線的雙頻特性著手,使天線具有雙頻特性。獲得雙頻工作的一種最簡單的方法是輻射貼片的長度對應(yīng)一個頻率諧振,其寬度對應(yīng)另一個頻率諧振,然后從對角線的一角饋電,就能使同一個輻射貼片工作于兩個頻率上,結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用同軸線饋電的微帶天線饋電點的位置可根據(jù)阻抗進行確定,可由式(1)近似計算出輸入阻抗為50Ω的饋電點位置H。其中,為微帶貼片長度,h近似為基片厚度,εr為介質(zhì)介電常數(shù)?；谏鲜鼍匦坞p頻微帶實現(xiàn)方式,及對天線小型化實現(xiàn)方法研究,并針對設(shè)計要求,對所設(shè)計的天線進行建模。考慮到小型RFID讀寫器設(shè)計尺寸及應(yīng)用,調(diào)整天線尺寸,通過實驗分析,進行切四角處理可以實現(xiàn)微帶天線保證雙頻特性條件下,將天線修正為正方形。其次,為了進一步展寬天線的帶寬和縮小天線的尺寸,在貼片中心進行挖正方形及中心線裁剪縫隙,通過這些幾何處理使閱讀器天線電流路徑長度得到增加。最后,通過調(diào)整正方形與縫隙尺寸來滿足RFID不同頻段調(diào)諧的要求。設(shè)計的天線中心頻率為920MHz與2.45GHz,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,基板采用FR4板材,介電常數(shù)εr為4.4,損耗角正切為0.02,厚度為hmm。天線由以下3部分組成:上表面為邊長為L×L的切四角挖孔和縫隙貼片;中間為介質(zhì)基板,其尺寸為G×G;下表面為邊長為c×c的地板。采用同軸探針SMA接頭進行饋電,饋電坐標(biāo)為(H,H)。微帶輻射元邊長L、切角長度b、四周中心開尺寸為u×2mm的縫隙,正方形孔的邊長為a和饋電點位置H。圖3為天線結(jié)構(gòu)粗略的仿真圖,目的是證明雙頻天線設(shè)計的合理性,由圖可知,結(jié)果可以實現(xiàn)雙頻天線特性。天線結(jié)構(gòu)粗略的仿真圖,目的是證明雙頻天線設(shè)計的合理性,仿真結(jié)果如圖3所示,結(jié)果證明天線具有兩個諧振頻率,但是還不能應(yīng)用在射頻識別上,需要進一步優(yōu)化,使天線的諧振頻率為920MHz與2.45GHz。2天線實驗結(jié)果本文采用商業(yè)三維電磁仿真軟件HFSS13.0對所設(shè)計的讀寫器天線進行了仿真與優(yōu)化,然后對其進行了加工與測試,仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合良好。經(jīng)過優(yōu)化確定天線饋電點位置H為12.6mm。天線端口輸入阻抗隨頻率的變化結(jié)果如圖4所示,結(jié)果表明,在920MHz與2.45GHz工作頻點上,輸入阻抗分別約為50.2-j0.5Ω和49.1-j0.2Ω。天線的諧振頻率由b值決定,仿真結(jié)果如圖5所示,當(dāng)b值取15.5mm時,諧振頻率約為922.5MHz與2.45GHz,很好地滿足了設(shè)計要求,可以看出b對天線諧振頻率的影響較大,但它不能對單一諧振頻率進行調(diào)解。設(shè)計的天線u、a對天線的性能產(chǎn)生影響,并且u、a的變化對天線性能的影響相對獨立。天線的四周縫隙長度u影響了天線的低頻諧振頻率,對高頻基本不產(chǎn)生影響,其諧振頻率隨u的變化曲線如圖6所示,可以通過改變u值來適應(yīng)不同國家對射頻識別的頻率要求。根據(jù)中國對《800/900頻段射頻識別(RFID)技術(shù)應(yīng)用要求規(guī)定》滿足在UHF頻段RFID分配的頻段920~925MHz,u優(yōu)化值為17.5mm。天線中間切除正方形邊長a對天線的高頻諧振頻率有一定影響,但對低頻影響可以忽略,其諧振頻率隨a的變化曲線如圖7所示。可以根據(jù)設(shè)計需求滿足不同ISM頻段的通信要求。本設(shè)計為2.45GHz有源射頻識別,a值選為11mm。經(jīng)過優(yōu)化分析實現(xiàn)天線性能最佳并且得到天線的最終尺寸如表1所示,天線實物圖如圖8所示。圖9為天線的回波損耗曲線,仿真結(jié)果表明,回波損耗在917.1~936.5MHz范圍內(nèi)S11小于-15dB(912.7~940.7MHz范圍內(nèi)均小于-10dB),很好地覆蓋了中國劃分給UHF頻段的要求。在2.43~2.47頻段內(nèi)S11小于-15dB(2.405~2.495GHz范圍內(nèi)小于-10dB)。圖10(a)和(b)為UHF頻段讀寫器天線的輻射方向圖、(c)和(d)為ISM頻段讀寫器天線的輻射方向圖,在UHF頻段內(nèi),讀寫器天線的最大增益為0.02dBi,在ISM頻段讀寫器天線的最大增益為1.66dBi,可以滿足手持設(shè)備對天線增益的要求,為提高天線增益可以考慮有源天線的應(yīng)用設(shè)計。3天線性能優(yōu)化本文采用切四角和中心方形及開槽縫隙結(jié)構(gòu)的微帶天線實現(xiàn)了UHF和ISM的雙頻特性,并對切角大小、方形尺寸和縫隙長度對天線性能的影響進行了相應(yīng)的分析。通過改變切角的大小改變天線的