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科普知識
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通用RF天線

一種RFID小型圓極化四臂螺旋天線的設計

發布日期:2022-10-17 點擊率:123

近年來射頻識別(Radio Frequency of Identificatio,RFID)技術的應用逐漸廣泛,同時也倍受重視。特別是UHF頻段的RFID系統,由于其傳輸距離遠、傳輸速率高,受到了更多地關注。典型的RFID系統由RFID閱讀器和標簽兩部分組成,RFID無源標簽依靠RFID閱讀器發射的電磁信號供電,并通過反射調制電磁信號與閱讀器通信。因此,RFID標簽天線設計的優劣對其系統工作性能有關鍵的影響。

常見的射頻識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,難以滿足閱讀器對各方向電子標簽的識別要求,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,在實際使用中也受到了限制。因此,如何設計出一種小尺寸、低剖面、高性能的圓極化射頻識別天線成為了關注的焦點。(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,被廣泛應用于GPS領域。隨后經過進一步發展,Wang—lk Son等人將四臂螺旋天線應用至RFID,并利用平面倒F天線代替了傳統的單極子天線作為四臂螺旋天線的天線臂,如圖1所示,實現了良好的效果。文中利用該方式,設計了一種在尺寸和性能上更具優勢的RFID閱讀器天線。

倒F折疊四臂螺旋天線

圖1、倒F折疊四臂螺旋天線

1、小型化四臂螺旋天線的設計

1.1、四臂螺旋天線的設計

文中設計的倒F四臂螺旋天線的結構如圖2所示。天線由4個完全相同的倒F天線組成,水平部分印制在介電常數為9.6,尺寸為60 mm×60 mm,厚度為1 mm的矩形微波復合介質板上,垂直部分印制在相同的4個厚度為1 mm的FR4小介質板上。4個天線饋電為等幅饋電,相位按逆時針相位依次滯后90°,形成右手圓極化。

倒F四臂螺旋天線結構示意圖

圖2、倒F四臂螺旋天線結構示意圖

由于螺旋天線的4個臂相距較近,相對兩臂之間的距離約為0.18 λ,天線4個臂之間的耦合較強。因此,在4個單獨端口進行匹配時,不能按傳統的方法,將每個端口單獨匹配,再加功分網絡,則應充分考慮4個臂之間的耦合。利用Ansys HFSS進行仿真可發現,位置相對的臂之間的耦合要遠大于相鄰臂之間的耦合,如圖3所示。是因為相對兩個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,因而在一定范圍內只考慮相對臂之間的耦合。假設4個天線臂端口按逆時針分別為端口1、端口2、端口3和端口4,反射系數分別為Γ11、Γ22、Γ33和Γ44,相對天線臂之間的耦合系數為M13和M24,由于天線兩對臂之間的對稱性,所以只需分析天線臂1和3之間的關系。假設端口1處的相位為0,能量從端口1傳輸到端口3產生的相位差為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端口處產生的相位為-180°-θ,由于天線間距較小,θ較小,所以可認為端口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°,所以當反射的能量和耦合的能量大小相等時,其等幅反相相互抵消,達到最佳匹配效果,即

Γ33=M13 (1)

反之滿足Γ11=M13時,端口1處達到最佳匹配。同理可分析端口2和端口4。

天線的S參數仿真結果

圖3、天線的S參數仿真結果

1.2、饋電網絡的設計

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絡饋電。自相移形式由于其相位不易控制,且4個天線臂結構產生差異,方向圖也略有變化,因此選擇采用功分網絡來實現饋電。威爾金森形式的功分器尺寸較大,且隔離電阻會導致損耗增加,因此該處采用簡單的T型功分器。圖4為功分網絡的結構圖。

 

T型功分結構圖

圖4、T型功分結構圖

2、天線的仿真與實測結果

圖5給出了仿真和實測的駐波結果對比圖,由圖中可看出,仿真和實測結果吻合良好,天線在國內UHF。頻段920~925 MHz內的實測駐波在1.2以下,且在908~928 MHz內的駐波均在1.5以下,可滿足實際應用。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<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給出了天線的實物照片,天線的整體尺寸為6 mln<60 mm<6 mm,與傳統RFID天線相比尺寸較小。綜上所述,該天線性能優越,滿足目前UHF頻段RFID系統對于天線的要求。

天線駐波仿真和測試結果圖

圖5、天線駐波仿真和測試結果圖

天線的增益和軸比隨頻率的變化

圖6、天線的增益和軸比隨頻率的變化

天線XZ和YZ面二維歸一化方向圖

圖7、天線XZ和YZ面二維歸一化方向圖

天線實物圖

圖8、天線實物圖

3、結束語

文中運用新的結構和耦合匹配理論,設計了一種小型圓極化四臂螺旋天線。該天線可應用于UHF頻段的射頻識別系統中。與傳統的射頻識別天線相比,其具有尺寸小、剖面低、圓極化和寬波束等優點。經制作測試,實測與仿真結果吻合良好。

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