5.8GHz 圆极化高增益射频识别读写器天线的分析与设计

谭伟强, 唐 军, 刘冀成, 唐 涛

(成都信息工程学院电子工程学院,四川成都610225)

0 引言

射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)是一种通过无线射频方式进行非接触的双向数据通信并对目标加以识别以获取相关数据的自动识别技术。电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection,ETC)采用微波有源射频识别技术来完成汽车与自动收费站之间的无线数据通信。目前国际上的电子不停车收费系统采用的频段主要有3种:915MHz、2.4GHz、5.8GHz,其中前两个频段在医疗卫生,无线通信和科研等领域应用广泛,频率重复使用现象严重,相对前两个频段来说5.8GHz频段具有背景噪声小,数据传送效率高,并且中国已在2007年批准将该频段应用于电子不停车收费系统(GB/T 2.851.1-2007)[1]。

射频识别系统由读写器天线,电子标签和计算机通信网络组成,其中读写器天线发射电磁能量激活标签实现数据传输并向标签发出指令,同时也要接收来自标签的信息。由于标签天线一般为线极化,且增益都比较低,为了能够读取具有不同极化特性的电子标签信息和尽可能实现读写器与标签之间的最大信号能量传输,要求读写器天线具有圆极化和高增益等特点。近年来,研究者提出了多种不同结构的RFID读写器天线,如折叠偶极子天线,平面环形天线,平面倒F天线等[2-4]。文献[5]提出的天线体积较大,并且采用巴伦馈电方式,增加了设计成本;文献[6]提出的天线带宽较窄且增益太小,一定程度上限制了其使用范围;文献[7]设计的天线结构相对复杂,对加工工艺要求较高,增加了实际应用成本。文中设计了一种可应用于电子不停车收费系统中的圆极化高增益RFID读写器天线,具有体积小,成本低,结构简单,易于制作等特点。通过对天线参数的分析和优化,最终确定了具有最优参数的天线结构,并制作出样品。实际测试结果显示该天线能够满足ETC使用需要,具有实际应用价值。

1 天线设计与分析

1.1 圆极化理论

微带天线具有结构简单,易于实现小型化和圆极化等特点,在射频识别系统中应用广泛。矩形微带贴片天线可以看成是一段宽为 W、长为L的传输线,选取较大的微带天线宽度对频带宽度、辐射效率和阻抗匹配都有好处。但为了防止高次模引起场的畸变,宽度 W＜W0应选以下范围[8]:

其中c为真空中光速,fR为天线谐振频率,λ0为空气中的波长,εr为基板的相对介电常数,εe为有效介电常数,h为基板的厚度,λg为传输线的波导波长。矩形微带天线的长度L在理论上小于0.5λg。

另外,微带天线实现圆极化的关键是要激励起两个极化方向正交、幅值相等、相位相差90°的线极化波,这样瞬时电场矢量端点轨迹构成一个圆。实现圆极化辐射常用以下两种方法:选择合适的馈电方式或选择合适的辐射单元形状。常用的圆极化馈电方式有多馈电法和单馈电法,但是采用多馈电方式实现圆极化的方法大多需要复杂的移相网络和功率分配结构[9],相对比较复杂,所以采用简单易行的单馈电方式。通过调节辐射单元形状也是实现天线圆极化重要手段,已有文献作了相关研究:包括三角形、正方形、圆形、圆环形、正五边形、椭圆形等[10-12]。讨论的方法是通过在方形辐射单元上切角引入几何微扰,即附加简并模分离单元,使简并正交模的谐振频率产生分离。当前的圆极化微带天线多采用对称等腰直角三角形切角的方法[13],从工程应用角度出发,采用更易加工和调整的非对称正方形切角的方法来实现圆极化。

1.2 天线结构

文中设计的读写器天线结构如图1所示,其中图1(a)为俯视图、图1(b)为剖面图,主要由3部分组成:上表面为切角的方形辐射单元;中间为厚度h=3mm的Roger5880介质基板,其相对介电常数εr=2.2、电损耗角正切值tanδ=0.009;下表面为边长为 a的方形金属反射板,天线采用同轴式探针馈电方法。

1.3 参数分析

影响天线性能指标的参数有:方形辐射单元边长 W,辐射单元上的切角深度r,基板边长b和厚度h,反射板边长a、馈电点位置Px和Py。通过调整基板的厚度和反射板尺寸,可以使辐射单元和反射板产生共模,提高天线增益;在确定合适的馈电点位置后,辐射单元的尺寸对天线的回波损耗(S11)影响较大,切角深度对天线的轴比影响较大。参数分析将揭示 W、r、Px和Py这些变量对天线性能的影响。

根据式(1)～(3)可以得出谐振于5.8GHz方形微带天线的辐射单元W的初始值为20mm。在切角深度和馈电点位置确定的情况下,改变方形辐射单元的尺寸对天线回波损耗的影响如图2所示。从图2可以看出天线的谐振频率将会随着辐射单元的增大而减小。

图1 读写器天线结构图

图2 辐射单元尺寸对S11的影响

图3 不同切角深度对 S11的影响

最后,保持辐射单元尺寸和馈电点位置一定,考察切角深度对天线性能的影响。图3给出了不同切角深度对应的天线回波损耗,从图3可以看出,切角深度对天线回波损耗的影响较小。另外,馈电点位置对天线的谐振频点也有一定的影响,保持辐射单元尺寸和切角深度不变,图4给出了不同馈电点位置对应的天线回波损耗。

由于该天线的圆极化是通过切角实现的,所以切角深度将直接决定天线的轴比。图5为切角深度r分别为3.4mm,3.8mm,4.2mm,4.6mm,5.0mm时天线对应的轴比,从图5可以看出:如果切角深度太大,天线的谐振频点将会发生偏移,而切角深度太小,天线在工作频段内将不能实现圆极化。

图4 不同馈电点对S11的影响

图5 不同切角深度对AR的影响

在小型化微带天线设计过程中,各个参数互相制约、互相影响,参数分析将有助于天线结构尺寸的最终确定。通过反复比较以及综合考虑各参数对天线总体性能的影响,最终确定的天线具体参数如表1所示。

表1 天线具体参数

图6 天线实物

2 结果与测试

依据表1所示的天线尺寸,加工出天线样品如图6所示,使用R&S ZVB矢量网络分析仪(10MHz～20GHz)对其回波损耗进行了测试,图7中给出回波损耗实测与仿真结果的对比,可以看出该天线样品的谐振点有所偏移(稍微偏低,约为5.75GHz),工作带宽(5.50～6.10GHz)与仿真结果(5.55～6.17GHz)基本吻合。

图7 实测与仿真S11对比图

图8 5.8GHz增益方向图

图8给出该天线在5.8GHz的辐射方向图,可以看出,该天线的最大增益可达8.27dB;图9给出了该天线在整个工作频段内的轴比和增益图,可以看到在整个工作频带内,其轴比(＜3dB)带宽为140MHz(5.71～5.85GHz),并且其增益均在8dB以上。图10给出该天线的输入阻抗图,在5.8GHz谐振点处,天线的输入阻抗为49.21欧姆,能够实现天线与同轴馈电之间的输入阻抗匹配,实现信号的最大传输。

图9 工作频带内的增益和轴比图

图10 5.8GHz输入阻抗图

3 结束语

设计了一种用于ETC系统的圆极化高增益RFID读写器天线,天线的整体尺寸仅为30×30×4 mm3,其实测工作带宽可达600MHz,轴比(＜3dB)带宽约为140MHz,且在整个工作带宽内,天线具有比较稳定的辐射特性(增益保持于8dB以上)。最后对样品天线进行了测试,测试结果与分析仿真结果基本吻合。综合考虑天线的各种性能指标,可以满足电子不停车收费系统的要求,具有实际的应用价值。

致谢:感谢成都信息工程学院科研项目与科研人才基金(KYTZ201211,CKF201103,J201202)对本文的资助

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