共面波导馈电平面小型化超宽带天线设计

周 兵，邹传云

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

目前，射频识别(radio frequency identification,RFID)技术被广泛应用于军事/物流跟踪以及新零售等众多领域。无源超高频无芯片RFID标签凭借其更远的传输距离、更大的数据容量、更快的阅读速度等优势，正逐步取代传统的光学二维码[1]。无源超高频无芯片射频识别标签以标签结构的差异，区分不同物体的信息。不同结构标签的反向散射信号不同。其差异性在频域上表现为在特定频率点是否有谐振波峰或波谷出现[2]。若无芯片射频标签以50 MHz的频率分辨率在频域进行编码[3]，频率带宽将直接影响标签的编码容量。使用这种编码方式的高容量无芯片RFID标签，可用于编码带宽较宽的编码。因此，标签阅读器天线也应该具有较宽的频带。

现有的无线窄带通信系统，如全球微波互联网接入(world interoperability for microwave access,WiMAX)、无线局域网(wireless local area network,WLAN)系统，会对无芯片RFID标签阅读器产生干扰，导致读取的信息出现错误。因此，RFID标签阅读器天线必须具备滤波(陷波)功能，从而降低现有窄带系统的干扰。近年来，涌现了许多有陷波特性的超宽带(ultra-wideband,UWB)天线。其中大部分是在单极子天线的基础上进行改进的。其改进方法大致可以归为两类：第一类是在辐射贴片或者地板上开U型槽、C型槽[4-7]；第二类是在辐射单元或地板附近引入寄生单元[8-9]。这些天线存在尺寸大、结构复杂、制作成本高、难以集成等缺点。

本文在文献[9]的基础上进行改进，把天线反面的寄生U型线条改为在辐射单元上开U型槽，从而在保持天线整体尺寸不变的条件下实现了陷波功能。该设计省去了天线两面敷铜、过孔设计等复杂过程，使天线在保持良好陷波特性的同时，结构更紧凑、制作更简单。

1 天线结构和设计

本文的天线采用特征阻抗为50 Ω的共面波导馈电，其结构如图1所示。图1中，深色为金属部分，浅色为介质基板；W0为中心导带的宽度(即馈线宽度)，s为槽宽，W为介质板的宽度，h为介质板的厚度，εr为介质的相对介电常数。

图1 共面波导结构图Fig.1 Structure of coplanar waveguide

共面波导特征阻抗的计算公式可由式(1)～式(4)[10]计算。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：εr、εeff、h、W、W0、s分别为相对介电常数、有效介电常数、介质板厚度、介质板宽度、馈线宽度以及馈线与地的间隙；K(k)、K′(k) 分别为第一类椭圆完全积分函数及其补充函数；k为自变量。

应用以上公式，可计算得出：对于特征阻抗为50 Ω的共面波导，当其馈线宽度W0=2.6 mm时，馈线与地的间隙s=0.3 mm。天线结构如图2所示。其中深色部分为金属，浅色部分为介质。

图2 天线结构示意图Fig.2 Structure of the antenna

介质基板为聚四氟乙烯材质，相对介电常数为4.4，损耗角正切tanδ=0.02，厚度为1.6 mm，通过在辐射贴片上开两个U型槽产生3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz陷波。根据电路理论分析，开槽(加载缝隙)相当于引入电感和电容的并联电路，原有电路因为并联谐振点而造成阻抗失配，形成大的反射系数[11]。一般槽线的长度可以由式(5)计算得出[12]。

(5)

式中：fnotch、c、L分别为陷波频率、自由空间的光速、槽线的长度。

通过式(5)可计算出当陷波中心频率为3.5/5.5 GHz时，对应的槽线长度大约为32.9/20.9 mm。这个结果只是一个大致的范围，最终槽线的尺寸通过仿真优化才能得出。最终优化后的天线参数如表1所示。

表1 天线参数Tab.1 Antenna parameters

2 仿真结果及分析

天线在无槽、只开外槽、只开内槽、同时开2个槽这4种情况下，回波损耗(S11)及电压驻波比(voltage standing-wave ratio,VSWR)对比如图3、图4所示。。

图3 回波损耗对比图Fig.3 Comparison of return loss

图4 电压驻波比对比图Fig.4 Comparison of voltage standing-wave ratio

由图3、图4可知：无槽时，在3.4～3.69 GHz及5.15～5.825 GHz的频段范围内，S11和VSWR均比较平稳，天线没有陷波特性，且在2.5～16 GHz的频率范围内，S11小于-10 dB，VSWR小于2；只开外面的U型槽时，在3.2～3.8 GHz 频段范围内，S11向上凸起大于-10 dB，VSWR也大于2，天线具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz频率范围内，天线没有陷波特性；只开里面的槽时，在 4.98～6.1 GHz频率范围内，S11最大值接近0 dB，VSWR比较大，可见天线在此频段具有陷波特性，而在5.15～5.825 GHz天线没有陷波特性；同时开2个槽时，天线在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz的频率范围内，S11大于-10 dB，VSWR大于2，天线具陷波特性，在其他频率范围内，S11的值都要小于-10 dB。由此可见，通过调整U型尺寸，很容易实现不同频段的陷波特性。

天线增益仿真如图5所示。

图5 天线增益仿真图Fig.5 Simulated gain of the antenna

由图5可以看出，天线无槽时，在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz频率范围内，天线的增益平稳，没有发生突变；天线仅开外槽时，在3.2～3.8 GHz频率范围内的天线增益突然减小，其他频率范围内的天线增益保持平稳；天线仅开内槽时，4.98～6.1 GHz频率范围内的天线增益急剧变小，其他频率范围内增益没有突变；天线开内槽和外槽时，在3.2～3.8 GHz及4.98～6.1 GHz频率范围内的天线增益突然变小，明显小于其他频带内的增益，天线表现出了明显的陷波特性。天线的最大增益接近7.29 dB。

天线辐射方向对比图如图6所示。由图6可以看出，在较低频段，天线的最大辐射方向在垂直于天线平面的方向，即天线平面的正上方和正下方，且陷波对方向图没有产生太大的影响。天线辐射方向图在高频段范围发生了一定的畸变。

图6 天线的辐射方向对比图Fig.6 Comparison of radiation direction of antenna

3 测试结果

为了验证所设计天线的正确性，对天线进行实物加工与制作。实际的天线结构紧凑，整体尺寸仅为30 mm×26 mm×1.6 mm，天线只有正面有敷铜，地板与辐射贴片在同一个平面。采用矢量网络分析仪测试了天线的反射系数，其结果如图7所示。

图7 测量及仿真结果Fig.7 Measure and simulate results

由图7可以看出，在4 GHz及5.8 GHz附近，曲线向上凸起，S11的值比较大，天线有明显的陷波特征，测量值与仿真值一致性比较好。随着频率的升高，测量与仿真出现了较大的偏差，波形上失真，频率也有偏移。出现失真的原因在于：FR-4材质的高频性能差，发生色散；sma接头与天线的馈线处焊接不牢固；试验室的电磁环境复杂，对天线的影响比较大等。

4 结束语

通过在天线的辐射贴片上开U型槽，产生阻抗失配，形成陷波特性。仿真和测试结果表明，天线过滤WiMAX及WLAN频段的信号，使系统免受这两个频段信号的干扰。且天线的带宽为13.5 GHz，非常适合作为无芯片射频识别标签阅读器天线。天线采用共面波导馈电，整体尺寸为30 m×26 mm×1.6 mm，结构紧凑，制作简单，具有一定的实用价值。

参考文献:

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