一種RFID小型圓極化四臂螺旋天線

　　近年來射頻識(shí)別( Radio Frequency of Identification，RFID)技術(shù)的應(yīng)用逐漸廣泛，同時(shí)也倍受重視。特別是UHF頻段的RFID系統(tǒng)，由于其傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高，受到了更多地關(guān)注[1]。典型的RFID系統(tǒng)由RFID閱讀器和標(biāo)簽兩部分組成，RFID無源標(biāo)簽依靠RFID閱讀器發(fā)射的電磁信號(hào)供電，并通過反射調(diào)制電磁信號(hào)與閱讀器通信。因此，RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)其系統(tǒng)丁作性能有關(guān)鍵的影響。

　　常見的射頻識(shí)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。由于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(duì)各方向電子標(biāo)簽的識(shí)別要求，所以在較多場(chǎng)合不適用;而微帶天線由于其面積尺寸過大，在小型化的閱讀器手持機(jī)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(shí)際使用中也受到了限制。因此，如何設(shè)計(jì)出一種小尺寸、低剖面，高性能的網(wǎng)極化射頻識(shí)別天線成為了關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

　　四臂螺旋天線由于其網(wǎng)極化性能出色，被廣泛應(yīng)用于GPS領(lǐng)域。隨后經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)展，Wang - Ik Son等人將四臂螺旋天線應(yīng)用至RFID[3-5]，并利用平面倒F天線代替了傳統(tǒng)的單極子天線作為四臂螺旋天線的天線臂，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了良好的效果。文中利用該方式，設(shè)計(jì)了一種在尺寸和性能上更具優(yōu)勢(shì)的RFID閱讀器天線。

圖l 倒F折疊四臂螺旋天線

　　1 小型化四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)

　　1.1 四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)

　　文中設(shè)計(jì)的倒F四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)如圖2所示。天線由4個(gè)完全相同的倒F天線組成，水平部分印制在介電常數(shù)為9.6，尺寸為60 mm×60 mm，厚度為1 mm的矩形微波復(fù)合介質(zhì)板上，垂直部分印制在相同的4個(gè)厚度為1 mm的FR4小介質(zhì)板上。4個(gè)天線饋電為等幅饋電，相位按逆時(shí)針相位依次滯后90°，形成右手網(wǎng)極化[6-8]。

圖2 倒F四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖

　　由于螺旋天線的4個(gè)臂相距較近，相對(duì)兩臂之間的距離約為0. 18 λ ，天線4個(gè)臂之間的耦合較強(qiáng)。因此，在4個(gè)單獨(dú)端口進(jìn)行匹配時(shí)，不能按傳統(tǒng)的方法，將每個(gè)端口單獨(dú)匹配，再加功分網(wǎng)絡(luò)，則應(yīng)充分考慮4個(gè)臂之間的耦合[9]。利用Ansys HFSS進(jìn)行仿真可發(fā)現(xiàn)，位置相對(duì)的臂之間的耦合要遠(yuǎn)大于相鄰臂之間的耦合，如圖3所示。是因?yàn)橄鄬?duì)兩個(gè)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，因而在一定范圍內(nèi)只考慮相對(duì)臂之間的耦合。假設(shè)4個(gè)天線臂端口按逆時(shí)針分別為端口1、端口2、端口3和端口4，反射系數(shù)分別為 F₁₁、 F₂₂、 F₃₃和F₄₄，相對(duì)天線臂之間的耦合系數(shù)為Ml3和M24，由于天線兩對(duì)臂之間的對(duì)稱性，所以只需分析天線臂1和3之間的關(guān)系。假設(shè)端口1處的相位為0，能量從端口1傳輸?shù)蕉丝?產(chǎn)生的相位差為θ，而端口1和端口3的饋電相位相差180°，則從端口1耦合到端口3的能量在天線臂3端口處產(chǎn)生的相位為- 180°一θ，由于天線間距較小，θ較小，所以可認(rèn)為端口1耦合到端口3的能量在端口3處的相位為- 180°。端口3的饋電相位為- 180°，則其反射能量的相位為180°。在端口3處看，從端口送出的能量包含端口3反射的能量和端口1耦合的能量，上文已得出反射能量和耦合能量在端口3處的相位分別為180°和- 180°，所以當(dāng)反射的能量和耦合的能量大小相等時(shí)，其等幅反相相互抵消，達(dá)到最佳匹配效果，即 F₃₃= M₁₃ (l) 反之滿足 F₁₁=M₁₃時(shí)，端口1處達(dá)到最佳匹配。同理可分析端口2和端口4。

 圖3天線的s參數(shù)仿真結(jié)果

　　1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　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(wǎng)絡(luò)饋電。自相移形式由于其相位不易控制，且4個(gè)天線臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，方向圖也略有變化，因此選擇采用功分網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)饋電。威爾金森形式的功分器尺寸較大，且隔離電阻會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加，因此該處采用簡單的T型功分器。圖4為功分網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。

　　圖4 T型功分器結(jié)構(gòu)圖

　　2 天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

　　圖5給出了仿真和實(shí)測(cè)的駐波結(jié)果對(duì)比圖，由圖中可看出，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，天線在國內(nèi)UHF頻段920 - 925 MHz內(nèi)的實(shí)測(cè)駐波在1.2以下，且在908 - 928 MHz內(nèi)的駐波均在1.5似下，可滿足實(shí)際應(yīng)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(nèi)<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°，前后比>15 dB。圖9給出了天線的實(shí)物照片，天線的整體尺寸為6 mm<60 mm<6 mm，與傳統(tǒng)RFID天線相比尺寸較小。綜上所述，該天線性能優(yōu)越，滿足目前UHF頻段RFID系統(tǒng)對(duì)于天線的要求。

圖5 天線駐波仿真和測(cè)試結(jié)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(shí)物圖

　　3 結(jié)束語

　　文中運(yùn)用新的結(jié)構(gòu)和耦合匹配理論，設(shè)計(jì)了一種小型網(wǎng)極化四臂螺旋天線。該天線可應(yīng)用于UHF頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的射頻識(shí)別天線相比，其具有尺寸小、剖面低、網(wǎng)極化和寬波束等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)制作測(cè)試，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果吻合良好。