面向RFID應(yīng)用的2.4GHz微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

      RFID技術(shù)利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，可達(dá)到識別并交換數(shù)據(jù)的目的。與磁卡和IC卡等接觸式識別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽和讀寫器之間無需物理接觸就可完成識別，屬于非接觸識別。RFID技術(shù)具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它可更廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、醫(yī)療和防偽等領(lǐng)域中。

      隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鐵道部已投入大量資金用于建立全路車號自動(dòng)識別系統(tǒng)的工程建設(shè)中，目標(biāo)是在所有機(jī)車上安裝電子標(biāo)簽，在所有區(qū)段站、編組站、大型貨運(yùn)站安置地面讀寫裝置，對運(yùn)行的列車以及車輛信息進(jìn)行準(zhǔn)確的識別。鐵路射頻車號自動(dòng)識別系統(tǒng)已經(jīng)成為鐵路信息化建設(shè)的一個(gè)重要組成部分。TKCG-08RFID列車自動(dòng)識別系統(tǒng)正是在這一背景下進(jìn)行研發(fā)的，它利用微波射頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了列車車號的自動(dòng)識別。其數(shù)據(jù)通信方案如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)傳輸是RFID系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。射頻信號通過閱讀器天線和標(biāo)簽天線的空間耦合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，因此，天線在整個(gè)RFID系統(tǒng)中扮演著重要角色，一方面天線的好壞決定了系統(tǒng)的通信質(zhì)量，另一方面天線決定了系統(tǒng)的通信距離。

      根據(jù)工作頻段不同，在RFID產(chǎn)品中使用不同類型的天線，可選擇的天線種類很多。在選擇的時(shí)候，天線大小、成本、性能都是非常重要的因素。三種最常見的短距天線設(shè)備是PCB微帶天線、芯片天線和有一個(gè)連接器的鞭狀天線。TKCG-08地鐵列車識別系統(tǒng)應(yīng)用主要是將閱讀器安裝在線路軌道中間，射頻卡安裝在車體下部中央相應(yīng)的位置，如圖2所示。當(dāng)列車以一定速度通過閱讀器時(shí)，閱讀器識別出射頻卡相應(yīng)的卡號，進(jìn)而得到列車車號信息。由于射頻卡體積有限，而且需要控制成本，微帶天線具有低成本、高性能、小尺寸等優(yōu)勢，因此選擇微帶天線作為本系統(tǒng)使用的天線形式。 

　　微帶天線

      微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。它利用微帶線、同軸線等饋線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射，因此微帶天線可看作是一種縫隙天線，如圖3所示。和常用的微波天線相比，它有如下一些優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適用于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，能與有源器件和電路集成為單一的模件，容易獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻、多頻段工作等。 

　　根據(jù)天線輻射特性的需要，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀。通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬底板距離為幾十分之一波長。假設(shè)輻射電場沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒有變化，僅沿約為半波長的導(dǎo)體長度方向變化，則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場引起的，輻射方向基本確定。

      微帶天線利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線良好匹配，且體積小剖面低、電性能優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)了一維小型化。基于此小型化天線采用微帶天線形式。而微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的饋電方法主要有: 雙饋點(diǎn)饋電和單饋點(diǎn)饋電。其中每一種饋電方法又分別可采用直接饋電、縫隙耦合饋電、探針饋電等多種饋電方式。直接饋電的單饋點(diǎn)法不需設(shè)計(jì)任何復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，是實(shí)現(xiàn)圓極化的簡易方法，所以一般采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電。

      微帶天線設(shè)計(jì)

      根據(jù)微帶天線理論，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻以及輸入阻抗?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模，通常要求寬度W滿足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分別是天線的高度和寬度。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮邊緣場的影響，要對L值進(jìn)行修正，因此L由公式(4)決定：

　　因?yàn)殡妶鲅?nbsp;L方向非均勻分布，故可通過改變同軸饋點(diǎn)在 L方向上的位置來改變饋電點(diǎn)的阻抗大小，達(dá)到信號的匹配狀態(tài)。饋電點(diǎn)位置的導(dǎo)納如公式(6)所示：

　　式中Z0是把天線視為傳輸線時(shí)的特性阻抗;Y0是其對應(yīng)的導(dǎo)納;ZW是壁阻抗;β是介質(zhì)中的相位常數(shù); L1、 L2為饋點(diǎn)沿 L 方向分別到輻射電極邊沿的距離。通過改變L1、 L2的大小可以使輸入阻抗?jié)M足阻抗匹配的要求。 

　　設(shè)計(jì)中還要考慮到輻射電極的長和寬L、W要滿足矩形貼片天線圓極化工作必要條件，即：

　　式中Qr，Qd，Qe，分別對應(yīng)輻射，介質(zhì)和導(dǎo)體損耗的Q值。

　　我們在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到微帶天線應(yīng)用在手持?jǐn)U頻通信設(shè)備中，要求天線具有剖面薄、體積輕、小型化的特點(diǎn)。根據(jù)上述公式計(jì)算出天線的實(shí)際尺寸，然后在AGILENT公司的電路和系統(tǒng)分析軟件ADS上建模，仿真優(yōu)化，得到圖4所示的天線模型。該天線工作頻率為2.4GHZ，尺寸為10MM×7.88mm，天線固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4，相對介電常數(shù)為4.4，基板厚度為1.2mm。對貼片天線進(jìn)行單點(diǎn)直接饋電，饋電點(diǎn)到貼片中心的距離為4.2mm，保證了天線體積的小型化。在饋線末端開出一個(gè)0.38mm的接地孔，以便和接地層相連。Length的長度與板厚有關(guān)系，板厚1.2mm，對應(yīng)的Length長度為3.175mm。一體式結(jié)構(gòu)適合大規(guī)模的生產(chǎn)和調(diào)試，并且堅(jiān)固抗折，適合在卡狀設(shè)備中使用。

　　為了優(yōu)化射頻卡天線的傳輸性能，天線的輻射電阻必須適應(yīng)射頻電路的阻抗特性。阻抗匹配是指在天線能量傳輸時(shí)，要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了，反之則在傳輸中有能量損失。在設(shè)計(jì)天線時(shí)，為了防止信號的反射，要求線路的阻抗為50歐姆。通過ADS的仿真分析后得到50歐的微帶參數(shù)為：銅箔厚度為0.7mil，基片厚度為10mil，導(dǎo)線寬度為20mil，導(dǎo)線距地平面的距離為31mil。

      仿真結(jié)果與整版測試

      應(yīng)用ADS的高頻信號仿真對天線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　從仿真圖 5的(a)(b)(c)中可以看出天線工作在頻率為2.44GHz的時(shí)候,天線輻射特性良好，主輻射方向垂直于天線表面。由于微帶天線尺寸和接地板尺寸都比較小，把天線放在一個(gè)常見的周圍環(huán)境中進(jìn)行操作的時(shí)候要進(jìn)行一些調(diào)整[5]。圖(d)顯示三個(gè)遠(yuǎn)程控制2.4GHZ天線的反射測試方法的結(jié)果。紅線表示天線放在周圍沒有障礙物的自由空間里面的反射結(jié)果。把天線放在塑料障礙物里，通過降低回聲頻率來影響性能，對性能的影響更加明顯。在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮這一因素并加以調(diào)整。在實(shí)際應(yīng)用中，在天線前端加上功率放大器和濾波器，能有效的增大天線發(fā)射功率，進(jìn)而提高射頻卡的整體性能。使用頻譜儀對發(fā)射功率進(jìn)行測試，結(jié)果顯示發(fā)射功率達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)(不小于20 dBm)，發(fā)射功率測試結(jié)果及射頻卡樣機(jī)實(shí)物如圖6所示。

　　結(jié)語

      天線的小型化適應(yīng)未來通信的發(fā)展趨勢，如何兼顧增益和頻帶是實(shí)現(xiàn)小型化必須要考慮的問題。本文所設(shè)計(jì)的微帶天線，具有體積小、重量輕、成本低、輻射效果好等優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)和現(xiàn)場測試表明：該微帶天線性能穩(wěn)定，可以滿足TKCG-08地鐵列車自動(dòng)識別系統(tǒng)指標(biāo)要求，同時(shí)對于其他射頻卡板載微帶天線的開發(fā)設(shè)計(jì)也具有一定參考意義。