射頻識別系統(tǒng)微帶二元天線陣的設(shè)計

1、 射頻識別系統(tǒng)微帶二元天線陣的設(shè)計班級：電信一班姓名：* 學(xué)號：* 1 概述當(dāng)前,無論從物流管理、交通運輸還是防盜應(yīng)用,射頻識別技術(shù)正日益引起人們的廣泛關(guān)注,并在我們的生活中扮演越來越重要的角色。而射頻識別系統(tǒng)的天線,則在事物、軟件系統(tǒng)與人之間搭建了聯(lián)系的橋梁。本文首先介紹幾種常用類型的射頻識別系統(tǒng)天線,并簡單分析矩形微帶天線的工作原理,由于微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單,易于制造且體積小,成本低的優(yōu)點,同時陣列天線具有較高的增益,所以本文設(shè)計用于射頻識別系統(tǒng)的收發(fā)天線是工作在ISM頻段2.45GHz的矩形微帶二元陣天線,文獻1從理論上說明了微帶二元陣列天線的性能,文獻2介紹了類似的饋電網(wǎng)絡(luò)。利用Ans

2、oftHFSS9.0進行天線陣的設(shè)計,仿真和優(yōu)化,使天線的駐波比、輸入阻抗、增益及方向圖等均滿足系統(tǒng)工作要求。2 射頻識別系統(tǒng)天線類型射頻識別系統(tǒng)在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同的天線技術(shù)來實現(xiàn)無線通訊,因此它的天線類型也是各式各樣。主要有線圈型、對稱振子型、微帶貼片型三種基本形式。一般近距離的識別系統(tǒng)工作于低頻段,通常采用成本較低的線圈型天線;而較遠距離的識別系統(tǒng)大多工作在高頻,甚高頻甚至微波頻段,則采用對稱振子型或微帶貼片型天線比較合適。2.1 線圈型天線  當(dāng)應(yīng)答器進入讀寫器的作用范圍時,兩者之間產(chǎn)生交變的磁場相互作用,實現(xiàn)信息的傳輸,此時天線就相當(dāng)

3、于變壓器的初、次級線圈的作用。實際使用的線圈型耦合回路的等效電路如圖1所示,該振蕩回路的諧振頻率為,其中C2=C2+Cp(C2是并聯(lián)電容,Cp是寄生電容),射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)答器和讀寫器使用這個頻率來進行通訊。2.2 對稱振子型天線  對稱振子型天線的基本構(gòu)成是兩根等長且同等粗細的導(dǎo)線成一字排列,然后從振子的中間饋電,通常振子的長度取四分之一波長的整數(shù)倍。此外,它有多種變形,如工作在2.45GHz用于射頻識別系統(tǒng)的對稱振子天線4,5。2.3 微帶貼片型天線微帶貼片天線是由一層或多層厚度遠小于波長(大約十幾分之一波長)的介質(zhì)層和覆蓋其上下兩面的金屬接地板以及

4、輻射元(尺寸可以和波長相比擬)構(gòu)成。輻射元形狀有多種多樣,常見的如方形,矩形,圓形等。矩形微帶天線的形狀如圖2(a)所示,假設(shè)電場沿貼片寬度與介質(zhì)板厚度方向沒有變化,僅沿貼片的長度(約二分之一波長)方向變化,則輻射基本上是由貼片的兩開路端縫隙產(chǎn)生,此時矩形微帶天線可看成是相距二分之一波長同相激勵并向地板以上半空間輻射的二元縫隙陣列,輻射場如圖2(b)所示。在射頻識別系統(tǒng)中,為了系統(tǒng)能適應(yīng)各種場合的需要,又設(shè)計出各種微帶縫隙天線,如工作在5.8GHz的縫隙耦合圓極化微帶天線6等。3 射頻識別系統(tǒng)二元微帶天線陣設(shè)計矩形微帶天線既可以單獨使用,也能做為陣列單元構(gòu)成天線陣使用,設(shè)計的目標就在

5、于指定頻率上得到要求的工作性能。由于本設(shè)計要求天線工作在2.45GHz這個較高的頻率,且要具備一定的識別距離以及考慮到天線的尺寸問題,因此選取微帶貼片型天線。3.1 貼片寬度和長度的選取寬度W的尺寸影響輻射電阻、輸入阻抗以及方向性函數(shù),從而影響頻帶寬度和輻射效率。貼片實用寬度和長度的計算公式為:。式中c是光速;fr是矩形微帶天線的工作頻率;r為相對介電常數(shù);有效介電常數(shù)e可由經(jīng)驗公式:獲得,l是邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的擴展長度8。由以上的公式可見,介質(zhì)板的相對介電常數(shù)r、厚度h以及天線的工作頻率fr決定了貼片的尺寸,提高介電常數(shù)有利于減小天線尺寸,但過高的介電常數(shù)卻會限制縫隙的輻射場,降低輻

6、射效率,并使帶寬變窄,增加介質(zhì)板厚度可以提高天線增益。因而適當(dāng)提高介電常數(shù)和介質(zhì)板厚度可以有效提高天線的輻射功率,且對輸入阻抗基本沒有影響。綜合考慮各方面因素,本文選擇r=2.55的聚四氟乙烯為介質(zhì)基板,工作頻率fr=2.45GHz,厚度h=1.55mm。根據(jù)式(1)得到W=46mm,把h和W代入式(3)則e2.43,最后由式(2)算得L=37.8mm。根據(jù)上面計算得到的數(shù)據(jù),利用Ansoft HFSS9.0軟件畫出天線陣列,初始陣元間距d=/2。下面我們將設(shè)計天線的匹配網(wǎng)絡(luò)。3.2 天線匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計  本文采用文獻2的方法給二元陣列等幅同相饋電,且天線阻抗匹配

7、包含在功分器設(shè)計中,即先串聯(lián)一段特性阻抗為50的微帶線,再并聯(lián)一段50的開路微帶線來消除電抗性,整個天線陣列如圖3所示。單個貼片在邊沿中間饋電情況下,其天線輸入阻抗為50×(0.099-j0.352)=4.95-j17.6,如圖4的Point1所示,很明顯失配嚴重。采用上面的方法進行阻抗匹配,50歐姆微帶線寬度9W14.4mm,根據(jù)文獻9分別求得兩段微帶線的理論長度作為初值,進行多次參數(shù)掃描,最后得到L1-1=9.1mm,L1-2=15.75mm,再次仿真后如圖4中Point2所示已接近原點匹配了。此時單個貼片的輸出阻抗近似為50,我們再利用一段R=/4的微帶線進行阻抗變換即可實現(xiàn)1

8、00的目標,根據(jù)/4阻抗變換器原理可得該段微帶線特性阻抗Z0=70.7,則其寬度為W22.4mm,仿真優(yōu)化后取陣元間距d=56.8mm,最后仿真得到二元陣列的輸入阻抗近似為50。 4 天線測試及結(jié)果分析天線測試主要是對天線的反射損耗、駐波比、輸入阻抗、增益和方向圖等進行測試。測試采用Agi2lentE5071B網(wǎng)絡(luò)分析儀,并在微波暗室內(nèi)進行。天線增益測量采用比較法10,獲得被測天線的增益為8.5dB,明顯優(yōu)于普通貼片天線,天線輸入阻抗約為56,駐波比為1.18。仿真值與實測結(jié)果的反射損耗、駐波比及E面方向圖如圖5所示,從圖中可看到方向圖有略微的偏移,這主要是由于饋電不均勻所致。結(jié)果表

9、明仿真與實測值吻合較好,且天線各參數(shù)達到預(yù)期效果,證明了天線設(shè)計的正確性。 圖5m參考文獻1 宋慶,張雪霞.縫耦合微帶雙貼片天線阻抗和輻射特性J.電子學(xué)報,Vol.22,No.9,Sep.1994.2 Munson ,R. Conformal microstrip antennas and mi2crostrip phased arraysJ. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on. Volume 22,Issue 1,Jan 1974 Page(s):74-78.3 KlausFrinkenzeller著.

10、陳大才譯.射頻識別(RFID)技術(shù)(第二版)M.北京:電子工業(yè)出版社,2001.4 XianmingQing;NingYang.AFoldedDipoleAntennaforRFIDJ.AntennasandPropagationSocietyInter2nationalSymposium,2004.IEEEVolume1,20-25.5 陳華君,林凡,郭東輝,吳孫桃.RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計J.廈門大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版-2005年B06期.6 岳喜成,王文騏,王媛媛.一種用于微波射頻識別卡的圓極化微帶天線J.微波學(xué)報,vol.19,No.1,Mar.2004.7 I.J鮑爾,P.布哈蒂亞著.梁聯(lián)倬,寇廷耀譯.微帶天線M.北京:電子工業(yè)出版社,1985