RFID小型圆极化天线的设计

  射频识别(Radio Frequency of Identificatio,RFID)是一种使用射频技术的非接触自动识别技术,具有传输速率快、防冲撞、大批量读取、运动过程读取等优势,因此,RFID技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重大的应用潜力。目前,射频识别技术的工作频段包括低频、高频、超高频及微波段,其中以高频和超高频的应用最为广泛。

  RFID系统主要由读写器(target)、应答器(RFID标签)和后台计算机组成,其中,读写器实现对标签的数据读写和存储,由控制单元、高频通信模块和天线组成,标签主要由一块集成电路芯片及外接天线组成,其中电路芯片通常包含射频前端、逻辑控制、存储器等电路。标签按照供电原理可分为有源(acTIve)标签、半有源(semiacTIve)标签和无源(passive)标签,无源标签因为成本低、体积小而备受青睐。

  RFID系统的基本工作原理是:标签进入读写器发射射频场后,将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理,需要回复的信息则从标签存储器发出,经逻辑控制电路送回射频前端电路,最后通过天线发回读写器。

  天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片,这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配,当工作频率增加到微波区域的时候,天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来,标签天线的开发基于的是50或者75欧姆输入阻抗,而在RFID应用中,芯片的输入阻抗可能是任意值,并且很难在工作状态下准确测试,缺少准确的参数,天线的设计难以达到最佳。

  近年来RFID技术的应用逐渐广泛,同时也倍受重视。特别是UHF频段的RFID系统,由于其传输距离远、传输速率高,受到了更多地关注。典型的RFID系统由RFID阅读器和标签两部分组成,RFID无源标签依靠RFID阅读器发射的电磁信号供电,并通过反射调制电磁信号与阅读器通信。因此,RFID标签天线设计的优劣对其系统工作性能有关键的影响。

  常见的射频识别阅读器天线有折合振子天线、分形天线、微带天线以及轴向模螺旋天线。由于折合振子天线和分形天线一般为线极化天线,难以满足阅读器对各方向电子标签的识别要求,所以在较多场合不适用;而微带天线由于其面积尺寸过大,在小型化的阅读器手持机上的使用受到了限制;轴向模螺旋天线同样因轴向高度过高,在实际使用中也受到了限制。因此,如何设计出一种小尺寸、低剖面、高性能的圆极化射频识别天线成为了关注的焦点。(短波天线的制作方法)

  四臂螺旋天线由于其圆极化性能出色,被广泛应用于GPS领域。随后经过进一步发展,Wang—lk Son等人将四臂螺旋天线应用至RFID,并利用平面倒F天线代替了传统的单极子天线作为四臂螺旋天线的天线臂,如图1所示,实现了良好的效果。文中利用该方式,设计了一种在尺寸和性能上更具优势的RFID阅读器天线。

RFID小型圆极化天线的设计

  图1、倒F折叠四臂螺旋天线

  1、小型化四臂螺旋天线的设计

  1.1、四臂螺旋天线的设计

  文中设计的倒F四臂螺旋天线的结构如图2所示。天线由4个完全相同的倒F天线组成,水平部分印制在介电常数为9.6,尺寸为60 mm×60 mm,厚度为1 mm的矩形微波复合介质板上,垂直部分印制在相同的4个厚度为1 mm的FR4小介质板上。4个天线馈电为等幅馈电,相位按逆时针相位依次滞后90°,形成右手圆极化。

RFID小型圆极化天线的设计

  图2、倒F四臂螺旋天线结构示意图

  由于螺旋天线的4个臂相距较近,相对两臂之间的距离约为0.18 λ,天线4个臂之间的耦合较强。因此,在4个单独端口进行匹配时,不能按传统的方法,将每个端口单独匹配,再加功分网络,则应充分考虑4个臂之间的耦合。利用Ansys HFSS进行仿真可发现,位置相对的臂之间的耦合要远大于相邻臂之间的耦合,如图3所示。是因为相对两个臂上的电流相互平行,所以相互影响过大,而相邻臂上的大部分电流相互垂直,则影响较小,因而在一定范围内只考虑相对臂之间的耦合。假设4个天线臂端口按逆时针分别为端口1、端口2、端口3和端口4,反射系数分别为Γ11、Γ22、Γ33和Γ44,相对天线臂之间的耦合系数为M13和M24,由于天线两对臂之间的对称性,所以只需分析天线臂1和3之间的关系。假设端口1处的相位为0,能量从端口1传输到端口3产生的相位差为θ,而端口1和端口3的馈电相位相差180°,则从端口1耦合到端口3的能量在天线臂3端口处产生的相位为-180°-θ,由于天线间距较小,θ较小,所以可认为端口1耦合到端口3的能量在端口3处的相位为-180°。端口3的馈电相位为-180°,则其反射能量的相位为180°。在端口3处看,从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处的相位分别为180°和-180°,所以当反射的能量和耦合的能量大小相等时,其等幅反相相互抵消,达到最佳匹配效果,即Γ33=M13,反之满足Γ11=M13时,端口1处达到最佳匹配。同理可分析端口2和端口4。

RFID小型圆极化天线的设计

  图3、天线的S参数仿真结果

  1.2、馈电网络的设计

  一般四臂螺旋天线的馈电方式有两种,自相移馈电和功分网络馈电。自相移形式由于其相位不易控制,且4个天线臂结构产生差异,方向图也略有变化,因此选择采用功分网络来实现馈电。威尔金森形式的功分器尺寸较大,且隔离电阻会导致损耗增加,因此该处采用简单的T型功分器。图4为功分网络的结构图。

RFID小型圆极化天线的设计

  图4、T型功分结构图

  2、天线的仿真与实测结果

  图5给出了仿真和实测的驻波结果对比图,由图中可看出,仿真和实测结果吻合良好,天线在国内UHF。频段920~925 MHz内的实测驻波在1.2以下,且在908~928 MHz内的驻波均在1.5以下,可满足实际应用。图6给出了天线增益和轴比随频率的变化,可看出天线的峰值增益为3.5 dB,轴比在带内<2 dB。图7和图8给出了天线在XZ和YZ面的归一化方向图,从图中可看出天线的3 dB波束宽度>120°,前后比>15dB。图9给出了天线的实物照片,天线的整体尺寸为6 mln<60 mm<6 mm,与传统RFID天线相比尺寸较小。综上所述,该天线性能优越,满足目前UHF频段RFID系统对于天线的要求。

RFID小型圆极化天线的设计

  图5、天线驻波仿真和测试结果图

RFID小型圆极化天线的设计

  图6、天线的增益和轴比随频率的变化

RFID小型圆极化天线的设计

  图7、天线XZ和YZ面二维归一化方向图

RFID小型圆极化天线的设计

  图8、天线实物图

  3、结束语

  文中运用新的结构和耦合匹配理论,设计了一种小型圆极化四臂螺旋天线。该天线可应用于UHF频段的射频识别系统中。与传统的射频识别天线相比,其具有尺寸小、剖面低、圆极化和宽波束等优点。经制作测试,实测与仿真结果吻合良好。

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