一种适用于双频双层微带天线的小型化设计

一种适用于双频双层微带天线的小型化设计

双频微带天线rfid通信技术是一种无线通信技术。它可以通过rfid信号识别目标并读取相关数据。广泛应用于物流管理、电子费用和动物识别等领域。读写器控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。天线就是连接信息的桥梁,起着至关重要的作用。近年随着物联网迅速发展,手持式读写器也对天线提出了新的要求———小型化、低成本、小质量、高增益天线。双频微带天线的设计思路有两个:一个是增加单个微带天线的带宽,使两个频段包含在微带天线的带宽范围内;另一个是将微带天线工作在离散的两个频段。第一种适合频率间隔较小的双频微带天线;后一种克服了频率间隔大小这个限制,对于频率间隔任意大的双频微带天线提供了设计思路。常采用的方法有:文献在单一贴片上采用偏置同轴馈电实现正交模式的同时激发TM01与TM10实现双频工作;文献通过加载或者开槽的方法使谐振频率受到干扰;文献将由工作在两个频段的单馈点微带天线层叠起来实现双频天线,显然这种设计增加了天线的体积,不适用于手持式读写器。文献采用分形的思想设计了一款双频天线,缺点是天线的尺寸比较大为255mm×255mm。为了解决前述问题,本文提出一种新型双频微带天线,选用廉价FR4板材,对四角切角,结合缝隙结构使电流绕槽边曲折流过路径边长,采用单馈点技术实现了对称的辐射方向性图。适用于频率为920MHz与2.45GHz射频识别系统,或者是2.4GHz无线通信。天线结构简单,便于加工,性能优良。1天线结构及设计首先从微带天线的双频特性着手,使天线具有双频特性。获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振,其宽度对应另一个频率谐振,然后从对角线的一角馈电,就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上,结构如图1所示。采用同轴线馈电的微带天线馈电点的位置可根据阻抗进行确定,可由式(1)近似计算出输入阻抗为50Ω的馈电点位置H。其中,为微带贴片长度,h近似为基片厚度,εr为介质介电常数。基于上述矩形双频微带实现方式,及对天线小型化实现方法研究,并针对设计要求,对所设计的天线进行建模。考虑到小型RFID读写器设计尺寸及应用,调整天线尺寸,通过实验分析,进行切四角处理可以实现微带天线保证双频特性条件下,将天线修正为正方形。其次,为了进一步展宽天线的带宽和缩小天线的尺寸,在贴片中心进行挖正方形及中心线裁剪缝隙,通过这些几何处理使阅读器天线电流路径长度得到增加。最后,通过调整正方形与缝隙尺寸来满足RFID不同频段调谐的要求。设计的天线中心频率为920MHz与2.45GHz,其结构如图2所示,基板采用FR4板材,介电常数εr为4.4,损耗角正切为0.02,厚度为hmm。天线由以下3部分组成:上表面为边长为L×L的切四角挖孔和缝隙贴片;中间为介质基板,其尺寸为G×G;下表面为边长为c×c的地板。采用同轴探针SMA接头进行馈电,馈电坐标为(H,H)。微带辐射元边长L、切角长度b、四周中心开尺寸为u×2mm的缝隙,正方形孔的边长为a和馈电点位置H。图3为天线结构粗略的仿真图,目的是证明双频天线设计的合理性,由图可知,结果可以实现双频天线特性。天线结构粗略的仿真图,目的是证明双频天线设计的合理性,仿真结果如图3所示,结果证明天线具有两个谐振频率,但是还不能应用在射频识别上,需要进一步优化,使天线的谐振频率为920MHz与2.45GHz。2天线实验结果本文采用商业三维电磁仿真软件HFSS13.0对所设计的读写器天线进行了仿真与优化,然后对其进行了加工与测试,仿真结果与测试结果吻合良好。经过优化确定天线馈电点位置H为12.6mm。天线端口输入阻抗随频率的变化结果如图4所示,结果表明,在920MHz与2.45GHz工作频点上,输入阻抗分别约为50.2-j0.5Ω和49.1-j0.2Ω。天线的谐振频率由b值决定,仿真结果如图5所示,当b值取15.5mm时,谐振频率约为922.5MHz与2.45GHz,很好地满足了设计要求,可以看出b对天线谐振频率的影响较大,但它不能对单一谐振频率进行调解。设计的天线u、a对天线的性能产生影响,并且u、a的变化对天线性能的影响相对独立。天线的四周缝隙长度u影响了天线的低频谐振频率,对高频基本不产生影响,其谐振频率随u的变化曲线如图6所示,可以通过改变u值来适应不同国家对射频识别的频率要求。根据中国对《800/900频段射频识别(RFID)技术应用要求规定》满足在UHF频段RFID分配的频段920~925MHz,u优化值为17.5mm。天线中间切除正方形边长a对天线的高频谐振频率有一定影响,但对低频影响可以忽略,其谐振频率随a的变化曲线如图7所示。可以根据设计需求满足不同ISM频段的通信要求。本设计为2.45GHz有源射频识别,a值选为11mm。经过优化分析实现天线性能最佳并且得到天线的最终尺寸如表1所示,天线实物图如图8所示。图9为天线的回波损耗曲线,仿真结果表明,回波损耗在917.1~936.5MHz范围内S11小于-15dB(912.7~940.7MHz范围内均小于-10dB),很好地覆盖了中国划分给UHF频段的要求。在2.43~2.47频段内S11小于-15dB(2.405~2.495GHz范围内小于-10dB)。图10(a)和(b)为UHF频段读写器天线的辐射方向图、(c)和(d)为ISM频段读写器天线的辐射方向图,在UHF频段内,读写器天线的最大增益为0.02dBi,在ISM频段读写器天线的最大增益为1.66dBi,可以满足手持设备对天线增益的要求,为提高天线增益可以考虑有源天线的应用设计。3天线性能优化本文采用切四角和中心方形及开槽缝隙结构的微带天线实现了UHF和ISM的双频特性,并对切角大小、方形尺寸和缝隙长度对天线性能的影响进行了相应的分析。通过改变切角的大小改变天线的