用於UHF頻段射頻識別系統的小型右手圓極化四臂螺旋天線設計方案

2020-12-25 RFID世界網

　　本文設計了一種用於UHF 頻段射頻識別系統的小型右手圓極化四臂螺旋天線。天線由四塊印刷介質板裝配組成，輻射部分為印製在介質板的4個金屬條帶臂，通過微帶威爾金森功分器饋電。通過對關鍵參數的仿真優化，天線尺寸為60 mm × 60 mm × 8 mm，峰值增益為4.2 dB，帶內軸比< 3 dB，3 dB 波束寬度> 120°。實物測試結果與仿真結果吻合良好。

　　1 引言

　　射頻識別(RFID)技術近年來得到了廣泛的重視和應用。UHF頻段的RFID 系統，由於其傳輸距離遠、傳輸速率高，受到了更多地關注。典型的RFID系統由RFID 閱讀器和標籤兩部分組成，RFID無源標籤依靠RFID 閱讀器發射的電磁信號供電，並通過反射調製電磁信號與閱讀器通信。因此，RFID讀寫器天線設計的優劣對其系統工作性能有關鍵的影響。

　　隨著手持移動端RFID讀寫設備的發展，減小天線尺寸成為了讀卡器天線設計中非常重要的設計要求，同時由於使用場景的複雜性，RFID無源標籤的姿態的非固定性，良好的圓極化性能也不可或缺。不同的應用場景對讀寫距離的要求也不同，如資產管理和人員管理應用中，要求最少數米的讀寫距離，這就對設備內置天線的增益提出了要求。另一方面，為了便於與行動裝置集成使用，要求天線具有結構簡單，穩定，重量輕的特點。

　　傳統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於高圓極化性能的要求。四臂螺旋天線由於其出色的圓極化性能被等人應用於RFID系統中。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，同時又具有製作簡單，穩定性好的特點。Wang-Ik Son等人將PIFA天線應用於印刷四臂螺旋天線並分析了天線的匹配原理，本文在此基礎上對天線的饋電匹配和輻射結構均進行了改進。結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 天線結構設計

　　本文採用三維電磁設計軟體HFSS13.0對天線結構進行了設計仿真和優化。天線模型示意圖如圖1所示。

　　1、a整體結構

　　天線由四個改進的PIFA天線以四臂螺旋的形式組成。整個天線結構由四塊介質板組成，中間兩塊小介質板採用卡子形狀設計以保證物理結構的穩定和牢固。天線的功分饋電網絡印製在下層介質板上的，四個PIFA天線印製在上層及中間介質板上。PIFA天線印製在介電常數3.5，厚度1mm的F4BM350介質板上，每個天線由印製在上層介質板的輻射臂和中間介質板的匹配饋電結構組成。

　　1、b側視圖

　　1、c天線饋電網絡模型示意圖

　　圖 1 天線模型示意

　　3 天線關鍵參數設計和優化

　　天線部分參數示意如圖2所示。中間部分為天線的饋電匹配結構，用於設計天線的阻抗匹配已達到最佳性能，設計對這一部分結構參數的優化設計是該天線的重點。經過仿真驗證，參數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天線短路匹配結構的位置和長度，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，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。各參數的優化結果如表1所示，此時天線達到最佳匹配效果。

　　圖2 天線部分參數示意圖

　　表1 各參數優化結果

　　4 天線加工與測試結果

　　天線加工實物圖如圖3所示，為了方便與後級系統連接，饋電埠用一根一端為SMA接口的引線引出。天線的各指標仿真與測試結果在下圖處給出。圖4為天線回波損耗結果圖，仿真和測試結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不穩定，以及加工裝配誤差所導致。圖5是天線峰值增益結果圖，仿真與測試基本吻合，實測最大增益約為4.1dBic，與仿真最大4.2dB基本一致，圖6為922MHz頻點phi=0°主平面的右旋極化增益方向圖，3dB波束寬度大於120°，同樣與仿真結果吻合良好，這些都說明了設計結構的穩定性。

　　圖3 天線實物圖

　　圖4 回波損耗結果圖

　　圖5 天線峰值增益結果

　　圖6 922MHz頻點方向圖測試結果

　　5 結束語

　　本文利用將四臂螺旋天線和PIFA天線結合，改進了饋電和裝配結構，設計了一種工作在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，寬波束以及結構穩定的特點，實物測試與仿真結果吻合良好。

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