一种圆极化RFID天线阵的设计

彭海龙

【摘要】 本文在完成单元圆极化微带天线设计和馈电网络等相关问题的基础上，设计了一个16单元的2.45GHz圆极化微带天线阵，用电磁仿真软件Ansoft HFSS完成天线仿真设计，优化了天线的性能，最后加工成实物天线。通过微波暗室对实物天线参数测试，实测结果与仿真结果基本一致。天线安装在有源RFID系统中，读卡范围得到有效控制，效果达到满意。此天线产品成本低、加工简单、易于生产组装，已经批量生产，并获得了国家实用新型专利。

【关键词】 圆极化 微带天线 RFID天线 阵列

一、引言

微带天线体积小、重量轻，剖面低，可与载体共形，易与有源器件集成等优点，已经被广泛的应用在移动通信、卫星通信、导航等领域[1]。但用于制作微带天线的微波材料价格昂贵，而且微带天线带宽窄，这也是微带天线的缺点。

随着射频技术的发展，射频识别产品已经在现实生活中得到了广泛的应用，例如停车场辆管理系统、不停车自动收费系统、人员管理、电子防伪、物流监控、生产自动化管理等。我公司已经研发出多款射频产品，其中2.45G有源产品的一个应用方向是对特定范围内的卡片进行读取。本文在已有定型外壳的有限空间范围内设计了一个16单元的2.45G圆极化微带天线阵，通过板材选取降低天线成本（在实际工程允许条件下牺牲了部分天线增益），进行了HFSS仿真、实物加工以及微波暗示测试，实测结果与仿真结果基本一致，实际应用中达到了满意的效果。

二、微带天线阵的设计与优化

微带天线的辐射贴片单元的几何形状有多种，常用的几何形状有矩形、圆形、三角形、多边形等，其中矩形是微带天线典型应用形状，有一系列比较成熟的理论作为研究依据，并且设计简单，便于圆极化波产生。微带天线还有一个显著的优点就是便于圆极化工作的实现，常用方法主要有[2]：1、切角微扰一点馈电法；2、相位差90°的两点馈电法；3、微带天线阵构成圆极化微带天线法。

本文从实际应用出发，选择矩形微带天线为基础，采用切角微扰微带侧馈的方法实现圆极化功能，将馈电网络和天线单元布局在一起。这种方法无需外加移向网络和功分器就可实现圆极化辐射，且有助于保证天线成品性能的一致性。

2.1 微带天线单元的设计[3]

为了降低成本，本文选择通用的PCB板材环氧布基板为介质基板，相对介电常数为εr=4.6，取基板厚度h= 1.6mm，天线中心频率为2.45GHz。由式（1）～（4） 和已知参数计算得到： 单元天线长度L=28.3mm， 单元天线宽度W=36.4mm。其中，天线工作中心频率主要有单元天线长度L决定，单元天线宽度W对天线的效率和增益会有影响。

Ansoft HFSS是一个用于任意三维无源器件的高性能全波电磁场仿真器，它使用有限元法自适应划分网格和杰出的图形界面，可用于计算S参数、谐振频率和场[5]。用Ansoft HFSS对天线单元进行仿真，优化并确定天线尺寸参数。为了便于圆极化的产生，暂取L=W=28.3mm，侧馈微带线位于天线单元的中间，按照此尺寸建立微带天线仿真模型优化仿真计算。选用特征阻抗为150欧母微带线做侧馈线，经公式计算其宽度为WS=0.5mm，设置激励端口为150欧姆，设置自动优化参量，仿真的中心频率为2.45G，扫频范围为2.2GHz～2.8GHz，优化后天线尺寸值为L=W=29mm，ΔS=4.5mm。单元天线的仿真Smith圆图结果如图1所示。

在图1中看到阻抗特性曲线经过圆图中心，说明在带宽内阻抗匹配良好，且有一个明显凹点，这说明天线出现了简并模分离，实现了圆极化功能。优化后，单元天线在2.45GHz的回波损耗为-21db，S11参数小于-10db的带宽是110MHz，仿真单元天线的增益为2.4dB，这主要是因为环氧布基板材料的损耗较大，天线的增益降低了。

2.2 圆极化微带天线阵的设计与优化

天线单元的轴比和中心频率满足设计要求，因为此天线阵要解决的问题实现是读卡范围的可控性，主要是对天线的波束和天线的前后辐射比提出了要求。根据以往的工程经验以及天线增益的需要，将天线设计为4*4的16元天线阵，阵列单元的间距一般在0.5λ～0.9λ的范围内，此时的波长是指电磁波在介质中的波长。取X轴、Y轴方向阵列单元间距为，仿真优化后天线的间距为51mm。为了馈线方便布设，天线单元旋转180度，同时天线阵采用等幅異相馈电，并通过微带线作相位补偿。用微带二等分功分器做馈电网络，根据传输线阻抗变换理论公式Zin=Z02/ZL计算微带线的特征阻抗，进而得出PCB板上微带线的宽度。天线阵的仿真模型如图2所示：

从图3可以看到， S11参数小于-10db范围是2.34GHz ～2.54GHz，这说明天线阵阻抗匹配良好，能够满足有源射频系统的频带范围要求。从天线阵方向图的仿真结果图4中上可以看到，天线阵3db波束宽度35°，天线最大增益为11.9dB，天线辐射前后比为-22dB，具有较好的定向性，满足对天线阵波束的设计要求。

三、微带天线阵加工及测试

在上述天线设计基础上，本文对天线做了实际加工和测试。天线实物如图5所示。

为了提高天线的性能稳定性和抗腐蚀的能力，天线PCB板采用了沉金工艺处理。天线实物用长约20cm的RG36同轴线焊接好，同轴线的另一端连接一个SMA公头。在微波暗室里测试天线输入端口的回波损耗S11参数[6]，如图6所示，回波损耗S11小于-10db的频率范围2.45GHz～2.65GHz，频率带宽为200MHz；暗室实测天线方向图如图7所示，天线增益为11.2dB，天线3db波束宽度为27°，天线辐射前后比为-24db，实测结果与仿真结果基本一致。图8数据表明，天线增益在整个频率范围内比较稳定，天线在2.422GHz～2455GHz范围内都满足圆极化要求，圆极化特性在2.438GHz最好。与仿真结果相比，天线的中心频率有偏移、天线增益有误差，这些误差往往是因为板材参数误差和加工误差产生的，引入天线罩后，天线的中心频率会向低频段偏移。

将天线实物接入2.45G有源射频识别系统中，选用我公司不同型号的卡片进行应用测试，读卡范围得到有效控制。特别是在车辆管理应用中，通过读卡器功率调整，可以只读取一个车道宽度内的射频卡片。在前向读卡距离满足工程应用的前提下，背向读卡距离得到了有效控制，基本不读卡，达到了最初的应用设计目标。

四、结论

本文利用经验公式和HFSS电磁仿真软件完成了单元天线和天线阵的设计，在满足工程应用的情况下选择板材降低了天线的成本。实物测试结果和仿真结果基本保持一致，验证了仿真数据的可信度；将此天线应用在有源RFID系统中，读卡范围得到有效控制，达到了满意效果。此天线产品成本低、加工简单、易于生产组装，已经批量生产应用，并获得了国家实用新型专利证书。

参 考 文 献

[1] 约翰. 克劳斯著，章文勋译. 天线[M]. 电子工业出版社. 2006

[2] 薛睿峰，钟顺时. 微带天线圆极化技术概述与进展[J]. 电波科学学报. 2002年04期

[3] J鲍尔，P.布哈蒂亚. 微带天线[M]. 电子工业出版社. 1984

[4] 张钧，刘克诚. 微带天线理论与工程[M]. 国防工业出版社. 1988

[5] 任伟，曾文波. 2.4GHz/12GHz微带天线的设计—基于HFSS9.2软件微带天线的设计[J]. 广西工学院学报. 2005年S3期

[6] 黄坤超. “矢量网络分析仪的时域功能在天线测量中的应用”[J]. 电子技术. 第47卷第3期