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一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

作者:葉軍偉 謝澤明
來源:嵌入式系統(tǒng)技術(shù)
日期:2014-06-06 10:45:46
摘要:在本文中,我們提出了一種適合于北美和南美RFID應(yīng)用的雙極化縫隙耦合的微帶天線。該微帶天線得到了較高的隔離度;天線的增益大約為7.5dBi;帶寬在VSWR=1.5時已經(jīng)覆蓋了902MHz-928MHz頻段。
關(guān)鍵詞:UHFRFID讀寫器天線

  1 引言

  近年來,隨著RFID(射頻識別)技術(shù)快速發(fā)展,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤和資產(chǎn)管理等應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前,各國使用的頻段各不相同,在北美和南美,無源RFID頻段為902MHz到928MHz。許多工作者在縫隙耦合、高隔離度和雙極化等方面做了很多研究工作,比如提出了一種使用縫隙耦合的微帶天線,并得到了雙極化和二端口間的高隔離度,不過它的工作頻率是5.8GHz。提到的天線,雖然結(jié)構(gòu)簡單,中心工作頻率在 911MHz,但它的阻抗帶寬相對較窄。也有在865MHz到928MHz這樣寬頻帶工作的RFID天線,不過該天線只適合用作標(biāo)簽天線。

  對于微帶天線,相比于其他饋電機(jī)制,縫隙耦合具有更好的設(shè)計靈活性。雙極化工作的微帶天線也非常適合于RFID應(yīng)用。因此,在本文中,我們提出了一種適合于北美和南美RFID應(yīng)用的雙極化縫隙耦合的微帶天線。該微帶天線得到了較高的隔離度;天線的增益大約為7.5dBi;帶寬在VSWR=1.5時已經(jīng)覆蓋了902MHz-928MHz頻段。

  2 天線設(shè)計

  本文主要設(shè)計了一個縫隙耦合的微帶天線。天線分為三層:頂層是介質(zhì)層,介質(zhì)層上是輻射貼片;中間一層是空氣層;底層也是介質(zhì)層,介質(zhì)層上是接地層,介質(zhì)層下是饋電。它們的參數(shù)設(shè)置如下:介質(zhì)層厚度都為1.6mm;它們的相對介電常數(shù)都為4.4;為了增加天線的帶寬,這里選擇空氣層的厚度為25mm。天線的側(cè)視圖如圖1所示。

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

  本設(shè)計采用單貼片,為了使天線諧振在915MHz,長方形貼片的長度選擇為113mm,寬度選擇為108mm。輻射貼片如圖2中的虛線框所示。

  該天線的饋電方式采用縫隙耦合。在接地層中挖出兩個H形的縫隙。H形縫隙的寬度都相同(H形邊臂和中間臂寬度分別為1mm和0.5mm);縫隙邊臂和中間臂的長度和寬度如圖2所示(單位都為mm)。以輻射貼片的中心線確定一坐標(biāo)(x軸和y軸),則從圖中可以看出,H形縫隙是關(guān)于y軸對稱的;H形縫隙與x軸的相對位置也在圖2中標(biāo)出。利用縫隙耦合,在端口1和端口2之間可以得到很高的隔離度。

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

  在天線的底層下是饋電層,在本設(shè)計中饋電層是由50om的微帶線組成,微帶線的寬度為3.1mm。饋電層的俯視圖如圖3所示。圖中的t1=8.05mm,t2=11.95mm。

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

  3 結(jié)果

  基于仿真結(jié)果,我們加工了一個天線實(shí)物,并利用網(wǎng)絡(luò)分析儀得到了測試結(jié)果。通過仿真,我們得到了較好的仿真結(jié)果:回波損耗S11和S22的帶寬(14dB 時)分別為44.51MHz(898.72MHz-943.23MHz)和66.24MHz(888.73MHz-954.97MHz);而且在整個帶寬內(nèi),天線端口1和端口2的隔離度好于-34dB。實(shí)測結(jié)果中,回波損耗S11和S22的帶寬(14dB時)分別為63MHz(897.5MHz- 960.5MHz)和32.38MHz(896.37MHz-928.75MHz);在整個帶寬內(nèi),天線端口1和端口2的隔離度好于-33dB。在圖4、圖5和圖6中分別示出了S11、S22和隔離度的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果。

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

  從圖4、圖5和圖6中可以看出,回波損耗S11和隔離度的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果較為符合,而回波損耗S22的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果相差較大,不過其仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果都已經(jīng)滿足北美應(yīng)用的帶寬要求(902MHz-928MHz)。

  天線的輻射方向圖如圖7所示。圖7中示出了915MHz時端口1和端口2的兩個主平面輻射方向圖,可以看出得到了很好的輻射特性,交叉極化值也很小;天線增益大約為7.5dBi;仿真的天線效率大約為90%。通過端口1和端口2激勵,可以得到雙極化。

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設(shè)計

  4 結(jié)論

  在本文中,利用縫隙耦合實(shí)現(xiàn)天線饋電,得到雙極化的微帶天線?;诜抡娼Y(jié)果,我們加工了天線實(shí)物,并測試了天線。天線中心頻率為915MHz,帶寬在 VSWR=1.5時能夠覆蓋902MHz-928MHz頻段;同時天線在工作頻段內(nèi)具有較高的隔離度、良好的增益特性和交叉極化特性。此天線適合于 RFID讀寫器應(yīng)用。