天線實現多頻的方法和RFID雙頻微帶天線仿真與設計

天線實現多頻的方法和RFID雙頻微帶天線仿真與設計

工程師曾玲 發表於 2018-06-29 09:17:00

1. 引言

RFID技術即射頻識別技術，是一種無線通信技術。其技術原理是通過射頻信號的空間耦合(交變磁場或電磁場)來實現無接觸數據交換並達到互相識別目的的一項技術。RFID系統的組成大致包括計算機系統、識讀器、和標籤。其中識讀器是由天線、耦合元件、晶片組成的讀取和寫入標籤信息的設備。標籤是由天線，耦合元件及晶片組成作為應答器的設備。計算機系統是利用應用層軟體將收集到的數據進一步處理並實現應用。射頻識別在商品的物流跟蹤、物聯網技術、支付系統等方面的得到了廣泛的應用。因此，研究RFID技術對國民經濟的發展有著深遠的意義。

2. 微帶天線概述

2.1 微帶天線的概念，發展及應用

微帶天線是一種將介質基板一面製成一定形狀金屬貼片另一面有導體接地板組成的天線。微帶天線通常用微帶傳輸線或同軸探針來饋電[5]。1953年，Deschamps率先提出微帶輻射器的概念。20世紀70年代以後隨著光刻蝕技術的發展以及微帶天線理論模型的提出，實際的微帶天線被製造出來。如今，微帶天線被廣泛應用於衛星通信、雷達、生物醫學、無線通訊設備、射頻識別系統等方面。

2.2 微帶天線的優缺點

優點：體積小、重量輕、低剖面、易於集成化、成本低、能與載體共形、易實現雙頻雙極化、無需額外添加匹配電路。

缺點：增益低、諧振頻率帶寬低、輻射空間小、輻射功率小等。

2.3 天線的帶寬

任何天線的工作頻率都會有一定的範圍，天線的電參數隨頻率的改變而改變，當定義天線的電參數在容許範圍之內的頻率範圍為天線的帶寬。

若天線的中心工作頻率為∫0，最高工作頻率是∫max，最低工作頻率為∫min。

天線的絕對帶寬?∫=∫max-∫min，相對帶寬為 (?∫)/(∫0) ，對於寬頻帶天線通常用表示帶寬(∫max)/(∫min)。

3. 天線多頻的實現方法

3.1 天線多頻的實現方法

傳統的射頻識別天線一般工作在單一頻段，而多頻讀寫器天線可以同時讀取多個頻段的標籤。目前實現多頻的技術大致可以分為如下三種:

(1)正交模雙頻微帶天線

正交模實現雙頻的方法是利用矩形輻射貼片長和寬兩正交邊的第一諧振頻率實現雙頻比如TM10和TM01，這種方式的局限是在兩個頻率上呈現正交極化，但是它在低成本和短距離應用很廣。而上述實現雙頻的方法，我們可以推廣到任意形狀的貼片。這類天線我們把它稱為正交模式雙頻貼片天線，其特徵是利用兩個極化正交的諧振模。這類天線根據饋電方式的不同又可分為單饋和雙饋兩類。具體饋電方式包括:探針饋電，縫隙饋電和電磁耦合饋電等。

(2)多貼片多頻天線

多貼片多頻天線是利用多個輻射單元來實現雙頻且得到的雙頻的極化可以是同一極化方式也可以是多極化的。這種天線可以有多個貼片結構，分別是疊層結構和共面多頻諧振器結構。

(3)電抗性加載貼片天線

電抗性加載貼片技術目前使用最為廣泛的雙頻技術，它是通過在單一貼片上加載電抗性負載來獲取雙頻。電抗性負載包括短截線，開設槽口，銷釘和電容及縫隙等。

除去以上三種方法還有別的一些方法來實現雙頻，如分形天線，空氣縫隙天線等。

3.2 多頻天線具體實現

如圖3-1所示，是一個三頻的單極子天線的仿真模型圖。圖中該天線有兩個單極子天線模塊組成，分別產生兩個諧振頻率。同時，ACPW結構用於對單極子饋電的同時，本身產生了第三個頻率。天線用到了多貼片和縫隙耦合實現多工作頻率[9]。從而得到的天線回波阻抗如圖3-2所示：

圖3-1天線模型圖 圖3-2天線的回波阻抗圖

如圖所示天線實現了三個工作頻率，分別為0.88MHz、1.6GHz、2.49GHz。

3.3 加工與測試

如圖3-3所示，為三頻天線的加工實物圖。利用微波暗室和失網分析儀對天線的方向圖和回波參數進行實測，結果如下圖3-4和圖3-5所示。

圖3-3三頻天線實物圖 圖3-5 2.45GHz時天線實測方向圖 圖3-5 天線實測回波參數

多頻天線在很多領域應用越來越迫切。例如在射頻技術應用中，現代射頻標準有很多，例如工作在915MHZ，2.45GHz,5.8GHz等，要想同時實現兩個或以上頻段應用必須設計出有兩個以上工作頻率的天線。再例如，我國移動通信處在2G，3G和4G混合應用的時代，很多手機要求能同時工作在GSM900/1800/2100MHz, GPRS, EDGE, WCDMA等多種網絡類型。

4. 雙頻RFID天線的仿真與優化

4.1 雙頻RFID天線設計指標

射頻識別技術(RFID)常見的工作頻率在超高頻時為860~930MHz，在微波頻段常見的頻率在2.45GHz左右。由此本文設計了一款同時工作於915MHz左右和2.45GHz左右的雙頻RFID讀寫器天線，要求天線在較低頻率時候的帶寬不低於30MHz，在較高頻率時帶寬不低於70MHz，在915MHz的增益為5，在2.45MHz的增益為10。天線的尺寸為226x188mm。考慮到應用到實際中的成本問題，我們採用較為普遍且價格便宜的1.2mm厚度的FR4作為介質基板，天線的輻射貼片採用銅片。天線的饋電方式採用同軸線背饋。

4.2 雙頻RFID天線結構

4.2.1 輻射貼片結構

天線的輻射貼片如圖4-1所示，其中藍色為部分為開槽部分：

圖4-1 天線模型 圖4-2同軸線饋電部分

4.2.2 天線饋電

天線的饋電是連接天線與收發信機之間的電信號能量傳輸的裝置，天線的饋電方式有很多種，在微帶天線中，同軸線是應用較為廣泛的饋電方式之一。如圖3-2所示採用的就是同軸線饋電，其中紅色柱狀就是天線的饋電。

4.3 天線的優化

我們通過調整天線的某些參數可以使天線的性能發生變化。利用hfss對天線對天線的一些參數調整，從而得到最優的結果。調整輻射貼片與基板之間空氣層h的高度從6mm到8mm，調整的步幅為0.2mm，天線的回波參數如圖4-3所示;通過調整發現，輻射貼片與基板之間距離在6mm到8mm之間時對天線的兩個工作頻率影響較小，但是在高頻和低頻之間出現了第三個頻率。當h為7mm時，多餘頻率s11低於10dB，符合要求。調整天線矩形縫隙ws的寬度，當ws的寬度為2mm時天線達到最優。如圖4-4所示:

圖4-3改變h天線的回波參數圖 圖4-4 ws變化對天線性能的影響

如圖4-5所示，當輻射貼片與基板之間高度為7mm時，調整貼片內圓半徑b從14mm到24mm，當b為18mm時天線得到最優。當b小於18mm時對天線中心頻率大小影響較小但是降低了其回波參數。當b大於18時，中心頻率發生偏移向中心靠攏。

圖4-5 b對天線的影響

通過優化，得到天線最終尺寸如下表4-1所示：

表4-1天線最終尺寸

4.4 天線的各項性能指標

4.4.1 天線的回波損耗

如圖4-6所示，天線的在低頻時中心頻率為910MHz，S11為-27dB,帶寬為40MHz。天線在高頻時中心頻率為2.46GHz，S11為-23.5dB,天線帶寬為90Mhz。

圖4-6 天線的回波損耗圖 圖4-7天線的史密斯圓圖

4.4.2 smith圓圖結果和輸入阻抗

如圖4-7所示，為天線的smith圓圖。如圖可知，天線在910MHz時，歸一化阻抗為1.0036+0.0824i。天線在2.44GHz時的歸一化阻抗為1.2636+0.0589i。

4.4.3 天線的三維增益方向圖

如圖所示4-8所示為天線的三維增益方向圖，如圖所示天線的輻射主要在微帶貼片的法方向上，即z坐標軸方向。

圖4-8 三維增益方向圖

4.4.4 E面增益方向圖

E面也就是最大輻射電場所在平面，對於本設計也就是平行於xoy平面的微帶天線。如圖4-9所示為天線在915MHz方向圖。圖4-10為天線在2.45GHz的時的方向圖。圖4-11為天線在915MHz時的天線參數計算機結果和最大遠場數據計算結果。圖4-12為天線在2.45GHz時的天線參數計算機結果和最大遠場數據計算結果。

圖4-9 E面增益方向圖 圖4-10 2.45GHz時的E面增益圖

如圖4-11和4-12所示，可以得出天線在915MHz時，天線的最大增益為6.189,最大輻射強度為0.48749w/sr，方向性係數為6.2095。天線在2.45Ghz時，天線的最大增益為11.342,最大輻射強度為0.89881w/sr，方向性係數為11.189。天線的仿真結果符合預期。

圖4-11 915MHz時天線參數最大遠場數據計算結果

圖4-12 2.45GHz時天線參數最大遠場數據計算結果

5. 天線的加工、測試、調試、誤差分析和改進

5.1 天線實物的加工、測試、

考慮的成本問題，本設計採用材料是較為便宜和普遍的銅箔和1.2mm介電常數為4.4的FR4單面覆銅板材。天線的輻射部分為銅箔，利用雷射雕刻機對銅箔進行切割，開槽從而得到輻射貼片。天線的饋電採用的是同軸線背饋，匹配負載的匹配阻抗為50歐姆。由於輻射貼片與基板之間時空氣層，考慮到實驗環境，我們用泡沫對代替空氣層，對貼片起到一定的支撐作用。

如圖5-1所示為天線加工，焊接完成的實物圖。利用矢量網絡分析儀，對天線的進行實測，測試如圖5-2所示

圖5-1天線加工實物圖 圖5-1天線加工、焊接完成的實物圖

5.2 天線的測試結果

圖5-3所示為天線實測的回波損耗參數，天線的兩個中心頻率為912MHz和2.12GHz。圖5-4所示為失量網絡分析儀測試的實測的駐波比圖，如圖所示天線在912MHz和2.12GHz天線的駐波比為分別為1.19和1.44天線的反射率低於4%，符合天線能量反射損耗的要求。

圖5-3 天線回波損耗 圖5-4 天線的駐波比

5.3 天線的誤差分析

通過對雙頻天線的實際測量，天線在低頻時中心頻率為912MHz符合預期結果。天線在高頻時實測中心頻率值為2.12GHz與預期的2.45GHz相差300MHz。實測時高頻結果相差比較大。由此可見該雙頻天線在低頻時抗幹擾能力比高頻時抗幹擾能力強。考慮到天線輻射貼片為銅片容易變形且在現有的實驗室條件下對其加工時尺寸會存在一定的誤差。同時在設計時，天線在設計時輻射貼片與基板之間存在空氣層，考慮到實驗室環境利用同等高度的泡沫代替空氣層對天線起到支撐作用。

在對天線進行實測時，基板與貼片之間空氣層用泡沫代替，但是泡沫介電常數比空氣略高，通過對泡沫介電常數從1.1到1.5進行掃描發現隨著介電常數增加，高頻中心頻率向左偏移。介電常數與中心頻率關係如表5-1所示：

表5-1 介電常數與中心頻率關係

另外，在第四章中對天線的優化中發現基板與輻射貼片之間的高度,矩形縫隙寬度ws都會對天線的中心頻率有一定影響。在對中心開槽的圓形半徑b進行掃描時發現當b大於18mm時天線的兩個中心頻率在向中心靠攏。而這些尺寸方面的誤差都可能會在加工過程中出現，從而使高頻頻率發生偏差。除此之外，在焊接匹配負載的時候，由於手工的焊接對饋電的位置把握和焊接工藝的偏差都會對加工的天線實物測試結果產生影響。

6. 總結

本文對射頻技術進行了總體闡述，對RFID技術的發展等做了簡單闡述。在理論知識方面首先介紹了天線的各項性能參數，例如：天線的增益、方向性、天線的極化、輸入阻抗、駐波比等。隨後舉例矩形微帶天線說明微帶天線的工作原理。在第三章中介紹了天線實現多頻的方法。在第四章和第五章中設計仿真了一款雙頻RFID微帶天線，並對天線進行了加工實測。在論文設計過程中，充分利用了學校的圖書資源和檢索庫的資源，學習了很多相關知識。利用業餘時間學習了電磁仿真軟體hfss，能利用仿真軟體對天線進行仿真優化。在老師的指導下對天線的實物加工過程有了一定的了解，並在老師的帶領下通過矢量網絡分析儀對天線進行測試。儘管如此，在整個論文設計中也走了很多彎路，在之前設計仿真得幾款天線由於沒有考慮到材料的成本和加工的難度，導致難以實現的問題。

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