基于RFID的小型天線的設(shè)計
射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù),近年來隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信、信息安全等技術(shù)的發(fā)展.RFID已進入商業(yè)化應(yīng)用階段,其應(yīng)用規(guī)模也快速增長。一個RFID系統(tǒng)包括RFID讀寫器、RFID標簽和軟件3大組成部分。所采用的天線主要分為標簽天線和讀寫器天線兩種。標簽天線是RFID系統(tǒng)中最易變的部分,并且其設(shè)計面臨著小型化、低損耗和低成本的實際要求,所以優(yōu)化設(shè)計標簽天線在整個系統(tǒng)中占有重要地位。
微帶天線以其體積小,重量輕,低剖面,易于加工以及電路繼承性能優(yōu)越等優(yōu)點在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展,對天線的尺寸要求越來越高,微帶天線尺寸小,性能優(yōu)越,因此,國內(nèi)外學(xué)者對其的小型化,寬頻,高增益等技術(shù)進行了大量細致而深入的研究。但天線尺寸上的變化對天線性能影響巨大,天線性能會隨自身尺寸的減小而變差,因此作為設(shè)計者,要在天線的各項參數(shù)中權(quán)衡最優(yōu)方案,以達到設(shè)計目的。
文中設(shè)計了一款915 MHz的微帶天線并對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過對貼片以及接地板開槽,完善了天線整體的參數(shù)性能,最終改進了天線的帶寬,增益,尺寸。
1 RFID天線特性
在RFID系統(tǒng)中,一般包含閱讀器天線和標簽天線。典型的工作頻率有:125 kHz、133 kHz、13.56 MHz、27.12 MHz、433MHz、915MHz 2.45 GHz、5.8 GHz,本文設(shè)計并仿真的天線為915 MHz。射頻識別閱讀器必須通過于閱讀器天線來發(fā)射帶有數(shù)據(jù)信息的電磁波,進而通過對該電磁場對電子標簽進行識別。所以,RFID天線要求低剖面,低成本,小型化等,有的領(lǐng)域還要求有多頻特性。隨著射頻識別技術(shù)的發(fā)展,RFID天線也向著多功能、智能天線等方向發(fā)展。決定RFID天線性能的參數(shù)主要有天線的輸入阻抗,駐波比,回波損耗,增益以及波瓣的寬度。
2 915 MHz RFID天線設(shè)計
微帶天線的輻射機理,實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導(dǎo)體完全封閉,電路中不連續(xù)處就會產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開路端,結(jié)構(gòu)尺寸的突變,彎折等不連續(xù)處也會產(chǎn)生電磁輻射。當(dāng)頻率較低時,這部分的電尺寸很小,因此電磁泄漏少,但隨著頻率的升高,電尺寸增大,泄漏也就越大。再經(jīng)過特設(shè)計,即放大尺寸做成貼片狀,并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強,輻射效率就大大提高,而成為有效的天線。如圖1,圖2所示,依據(jù)微帶天線的設(shè)計理論,本文設(shè)計了下面這款天線,該天線采用FR4環(huán)氧樹脂板,介電常數(shù)為4.4,介質(zhì)厚度h為5 mm,介質(zhì)板邊長L1=120 mm,輻射貼片邊長L2=80 mm,采用同軸線饋電。
從圖1,圖2可以看出,天線的頻帶過窄,同時,阻抗匹配的效果不好,天線輻射功率會受到巨大的影響。
3 天線的改進分析
微帶天線優(yōu)化的方法可以概括為以下幾點 微帶貼片開槽:微帶天線的表面電流分布依賴于貼片的幾何結(jié)構(gòu),通過在貼片表面開槽,使原來的等效諧振電路變?yōu)殡p諧振電路,達到展寬天線頻帶的目的,而且電流的有效路徑變長,貼片諧振頻率降低,有利于天線的小型化。為了在增益、尺寸、帶寬方面折衷考慮,本文對于貼片形狀進行了改進,采用在貼片邊緣開槽的方法,使得天線性能得到了很大的提升。
微帶接地板開槽:通過在接地板上開槽也可以對天線的性能進行一定的改善。
切角:在輻射貼片上進行切角可以是天線變?yōu)閳A極化天線。
饋點:由于采用的是背饋方式,饋點的選擇決定了天線的阻抗匹配。
4 改進后天線分析
圖3,圖4為優(yōu)化后的天線模型。
通過多次仿真,可以觀察到,切角邊長,開槽寬度以及饋點位置對天線性能影響較為明顯。從圖5可以看出天線帶寬隨切角邊長變化改變,圖6,8顯示,中心頻點隨開槽寬度和中心圓半徑增加向高頻方向移動,如圖7,可以很明顯的看出,饋點位置主要影響阻抗匹配和天線增益。
最終,通過結(jié)構(gòu)性優(yōu)化,天線參數(shù)如表1所示。
優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖9~11所示。
從仿真結(jié)果不難看出,天線阻抗匹配很好,基本達到50 Ω,天線中頻準確定位在915 MHz,帶寬明顯增加,由方向圖可以看出,后瓣由于接地板開槽已被消除殆盡。作為后續(xù)研究的方向,可以再對介質(zhì)層的尺寸進行嘗試性的縮小,從而達到進一步小型化的目的。
5 結(jié)束語
在詳細分析研究微帶天線后,自主設(shè)計了一款915 MHz頻段的讀寫器微帶天線,并對該天線進行了開槽改進,對于開槽的位置、尺寸進行了詳細的闡述,從而可在增大帶寬和實現(xiàn)小型化方面,使天線性能得到提升,最終實現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的915 MHz頻段RFID讀寫器微帶天線。從仿真結(jié)果來看,天線匹配良好,天線性能優(yōu)越,完全符合讀寫器的工作要求。