RFID小型圓極化天線的設(shè)計(jì)

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency of Identificatio，RFID)是一種使用射頻技術(shù)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有傳輸速率快、防沖撞、大批量讀取、運(yùn)動(dòng)過程讀取等優(yōu)勢(shì)，因此，RFID技術(shù)在物流與供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。目前，射頻識(shí)別技術(shù)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(yīng)用最為廣泛。

　　RFID系統(tǒng)主要由讀寫器(target)、應(yīng)答器(RFID標(biāo)簽)和后臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，其中，讀寫器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ)，由控制單元、高頻通信模塊和天線組成，標(biāo)簽主要由一塊集成電路芯片及外接天線組成，其中電路芯片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路。標(biāo)簽按照供電原理可分為有源(acTIve)標(biāo)簽、半有源(semiacTIve)標(biāo)簽和無源(passive)標(biāo)簽，無源標(biāo)簽因?yàn)槌杀镜?、體積小而備受青睞。

　　RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器發(fā)射射頻場后，將天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路后作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行處理，需要回復(fù)的信息則從標(biāo)簽存儲(chǔ)器發(fā)出，經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回讀寫器。

　　天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配，當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。一直以來，標(biāo)簽天線的開發(fā)基于的是50或者75歐姆輸入阻抗，而在RFID應(yīng)用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測試，缺少準(zhǔn)確的參數(shù)，天線的設(shè)計(jì)難以達(dá)到最佳。

　　近年來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。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)工作性能有關(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、高性能的圓極化射頻識(shí)別天線成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。(短波天線的制作方法)

　　四臂螺旋天線由于其圓極化性能出色，被廣泛應(yīng)用于GPS領(lǐng)域。隨后經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)展，Wang—lk Son等人將四臂螺旋天線應(yīng)用至RFID，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1、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°，形成右手圓極化。

　　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。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Γ11、Γ22、Γ33和Γ44，相對(duì)天線臂之間的耦合系數(shù)為M13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°-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Γ33=M13，反之滿足Γ11=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型功分結(jié)構(gòu)圖

　　2、天線的仿真與實(shí)測結(jié)果

　　圖5給出了仿真和實(shí)測的駐波結(jié)果對(duì)比圖，由圖中可看出，仿真和實(shí)測結(jié)果吻合良好，天線在國內(nèi)UHF。頻段920～925 MHz內(nèi)的實(shí)測駐波在1.2以下，且在908～928 MHz內(nèi)的駐波均在1.5以下，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>15dB。圖9給出了天線的實(shí)物照片，天線的整體尺寸為6 mln<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)了一種小型圓極化四臂螺旋天線。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、圓極化和寬波束等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)制作測試，實(shí)測與仿真結(jié)果吻合良好。