射頻識別RFID(2):一種RFID小型圓極化四臂螺旋天線的設計

2021-01-07 RFID世界網

　　近年來射頻識別(Radio Frequency of Identificatio，RFID)技術的應用逐漸廣泛，同時也倍受重視。特別是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標籤天線設計的優劣對其系統工作性能有關鍵的影響。

　　常見的射頻識別閱讀器天線有折合振子天線、分形天線、微帶天線以及軸向模螺旋天線。由於折合振子天線和分形天線一般為線極化天線，難以滿足閱讀器對各方向電子標籤的識別要求，所以在較多場合不適用;而微帶天線由於其面積尺寸過大，在小型化的閱讀器手持機上的使用受到了限制;軸向模螺旋天線同樣因軸向高度過高，在實際使用中也受到了限制。因此，如何設計出一種小尺寸、低剖面、高性能的圓極化射頻識別天線成為了關注的焦點。(短波天線的製作方法)

　　四臂螺旋天線由於其圓極化性能出色，被廣泛應用於GPS領域。隨後經過進一步發展，Wang—lk Son等人將四臂螺旋天線應用至RFID，並利用平面倒F天線代替了傳統的單極子天線作為四臂螺旋天線的天線臂，如圖1所示，實現了良好的效果。文中利用該方式，設計了一種在尺寸和性能上更具優勢的RFID閱讀器天線。

　　圖1、倒F摺疊四臂螺旋天線

　　1、小型化四臂螺旋天線的設計

　　1.1、四臂螺旋天線的設計

　　文中設計的倒F四臂螺旋天線的結構如圖2所示。天線由4個完全相同的倒F天線組成，水平部分印製在介電常數為9.6，尺寸為60 mm×60 mm，厚度為1 mm的矩形微波複合介質板上，垂直部分印製在相同的4個厚度為1 mm的FR4小介質板上。4個天線饋電為等幅饋電，相位按逆時針相位依次滯後90°，形成右手圓極化。

　　圖2、倒F四臂螺旋天線結構示意圖

　　由於螺旋天線的4個臂相距較近，相對兩臂之間的距離約為0.18 λ，天線4個臂之間的耦合較強。因此，在4個單獨埠進行匹配時，不能按傳統的方法，將每個埠單獨匹配，再加功分網絡，則應充分考慮4個臂之間的耦合。利用Ansys HFSS進行仿真可發現，位置相對的臂之間的耦合要遠大於相鄰臂之間的耦合，如圖3所示。是因為相對兩個臂上的電流相互平行，所以相互影響過大，而相鄰臂上的大部分電流相互垂直，則影響較小，因而在一定範圍內只考慮相對臂之間的耦合。假設4個天線臂埠按逆時針分別為埠1、埠2、埠3和埠4，反射係數分別為Γ11、Γ22、Γ33和Γ44，相對天線臂之間的耦合係數為M13和M24，由於天線兩對臂之間的對稱性，所以只需分析天線臂1和3之間的關係。假設埠1處的相位為0，能量從埠1傳輸到埠3產生的相位差為θ，而埠1和埠3的饋電相位相差180°，則從埠1耦合到埠3的能量在天線臂3埠處產生的相位為-180°-θ，由於天線間距較小，θ較小，所以可認為埠1耦合到埠3的能量在埠3處的相位為-180°。埠3的饋電相位為-180°，則其反射能量的相位為180°。在埠3處看，從埠送出的能量包含埠3反射的能量和埠1耦合的能量，上文已得出反射能量和耦合能量在埠3處的相位分別為180°和-180°，所以當反射的能量和耦合的能量大小相等時，其等幅反相相互抵消，達到最佳匹配效果，即Γ33=M13 (1)

　　反之滿足Γ11=M13時，埠1處達到最佳匹配。同理可分析埠2和埠4。

　　圖3、天線的S參數仿真結果

　　1.2、饋電網絡的設計

　　一般四臂螺旋天線的饋電方式有兩種，自相移饋電和功分網絡饋電。自相移形式由於其相位不易控制，且4個天線臂結構產生差異，方向圖也略有變化，因此選擇採用功分網絡來實現饋電。威爾金森形式的功分器尺寸較大，且隔離電阻會導致損耗增加，因此該處採用簡單的T型功分器。圖4為功分網絡的結構圖。

　　圖4、T型功分結構圖

　　2、天線的仿真與實測結果

　　圖5給出了仿真和實測的駐波結果對比圖，由圖中可看出，仿真和實測結果吻合良好，天線在國內UHF。頻段920～925 MHz內的實測駐波在1.2以下，且在908～928 MHz內的駐波均在1.5以下，可滿足實際應用。圖6給出了天線增益和軸比隨頻率的變化，可看出天線的峰值增益為3.5 dB，軸比在帶內<2 dB。圖7和圖8給出了天線在XZ和YZ面的歸一化方向圖，從圖中可看出天線的3 dB波束寬度>120°，前後比>15dB。圖9給出了天線的實物照片，天線的整體尺寸為6 mln<60 mm<6 mm，與傳統RFID天線相比尺寸較小。綜上所述，該天線性能優越，滿足目前UHF頻段RFID系統對於天線的要求。

　　圖5、天線駐波仿真和測試結果圖

　　圖6、天線的增益和軸比隨頻率的變化

　　圖7、天線XZ和YZ面二維歸一化方向圖

　　圖8、天線實物圖

　　3、結束語

　　文中運用新的結構和耦合匹配理論，設計了一種小型圓極化四臂螺旋天線。該天線可應用於UHF頻段的射頻識別系統中。與傳統的射頻識別天線相比，其具有尺寸小、剖面低、圓極化和寬波束等優點。經製作測試，實測與仿真結果吻合良好。

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