RFID小型圓極化天線的設計

2020-12-06 RFID世界網

　　射頻識別(Radio Frequency of Identificatio，RFID)是一種使用射頻技術的非接觸自動識別技術，具有傳輸速率快、防衝撞、大批量讀取、運動過程讀取等優勢，因此，RFID技術在物流與供應鏈管理、生產管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領域具有重大的應用潛力。目前，射頻識別技術的工作頻段包括低頻、高頻、超高頻及微波段，其中以高頻和超高頻的應用最為廣泛。

　　RFID系統主要由讀寫器(target)、應答器(RFID標籤)和後臺計算機組成，其中，讀寫器實現對標籤的數據讀寫和存儲，由控制單元、高頻通信模塊和天線組成，標籤主要由一塊集成電路晶片及外接天線組成，其中電路晶片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路。標籤按照供電原理可分為有源(acTIve)標籤、半有源(semiacTIve)標籤和無源(passive)標籤，無源標籤因為成本低、體積小而備受青睞。

　　RFID系統的基本工作原理是：標籤進入讀寫器發射射頻場後，將天線獲得的感應電流經升壓電路後作為晶片的電源，同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路變為數位訊號送入邏輯控制電路進行處理，需要回復的信息則從標籤存儲器發出，經邏輯控制電路送回射頻前端電路，最後通過天線發回讀寫器。

　　天線的目標是傳輸最大的能量進出標籤晶片，這需要仔細的設計天線和自由空間以及其相連的標籤晶片的匹配，當工作頻率增加到微波區域的時候，天線與標籤晶片之間的匹配問題變得更加嚴峻。一直以來，標籤天線的開發基於的是50或者75歐姆輸入阻抗，而在RFID應用中，晶片的輸入阻抗可能是任意值，並且很難在工作狀態下準確測試，缺少準確的參數，天線的設計難以達到最佳。

　　近年來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，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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