一种UHF频段高极化隔离度双极化RFID读写器天线设计

模拟技术 时间:2017-10-21来源:网络

  1 引言

  近年来,随着RFID(射频识别)技术快速发展,该技术已广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪和资产管理等应用领域。当前,各国使用的频段各不相同,在北美和南美,无源RFID频段为902MHz到928MHz。许多工作者在缝隙耦合、高隔离度和双极化等方面做了很多研究工作,比如提出了一种使用缝隙耦合的微带天线,并得到了双极化和二端口间的高隔离度,不过它的工作频率是5.8GHz。提到的天线,虽然结构简单,中心工作频率在 911MHz,但它的阻抗带宽相对较窄。也有在865MHz到928MHz这样宽频带工作的RFID天线,不过该天线只适合用作标签天线。

  对于微带天线,相比于其他馈电机制,缝隙耦合具有更好的设计灵活性。双极化工作的微带天线也非常适合于RFID应用。因此,在本文中,我们提出了一种适合于北美和南美RFID应用的双极化缝隙耦合的微带天线。该微带天线得到了较高的隔离度;天线的增益大约为7.5dBi;带宽在VSWR=1.5时已经覆盖了902MHz-928MHz频段。

  2 天线设计

  本文主要设计了一个缝隙耦合的微带天线。天线分为三层:顶层是介质层,介质层上是辐射贴片;中间一层是空气层;底层也是介质层,介质层上是接地层,介质层下是馈电。它们的参数设置如下:介质层厚度都为1.6mm;它们的相对介电常数都为4.4;为了增加天线的带宽,这里选择空气层的厚度为25mm。天线的侧视图如图1所示。

  

  图1 天线的侧视图

  本设计采用单贴片,为了使天线谐振在915MHz,长方形贴片的长度选择为113mm,宽度选择为108mm。辐射贴片如图2中的虚线框所示。

  该天线的馈电方式采用缝隙耦合。在接地层中挖出两个H形的缝隙。H形缝隙的宽度都相同(H形边臂和中间臂宽度分别为1mm和0.5mm);缝隙边臂和中间臂的长度和宽度如图2所示(单位都为mm)。以辐射贴片的中心线确定一坐标(x轴和y轴),则从图中可以看出,H形缝隙是关于y轴对称的;H形缝隙与x轴的相对位置也在图2中标出。利用缝隙耦合,在端口1和端口2之间可以得到很高的隔离度。

  

  图2 天线的辐射贴片和耦合缝隙图

  在天线的底层下是馈电层,在本设计中馈电层是由50om的微带线组成,微带线的宽度为3.1mm。馈电层的俯视图如图3所示。图中的t1=8.05mm,t2=11.95mm。

  

  图3 天线的馈电


  3 结果

  基于仿真结果,我们加工了一个天线实物,并利用网络分析仪得到了测试结果。通过仿真,我们得到了较好的仿真结果:回波损耗S11和S22的带宽(14dB 时)分别为44.51MHz(898.72MHz-943.23MHz)和66.24MHz(888.73MHz-954.97MHz);而且在整个带宽内,天线端口1和端口2的隔离度好于-34dB。实测结果中,回波损耗S11和S22的带宽(14dB时)分别为63MHz(897.5MHz- 960.5MHz)和32.38MHz(896.37MHz-928.75MHz);在整个带宽内,天线端口1和端口2的隔离度好于-33dB。在图4、图5和图6中分别示出了S11、S22和隔离度的仿真结果和实测结果。

  

  图4 仿真和实测的回波损耗S11

  

  图5 仿真和实测的回波损耗S22

  

  图6 仿真和实测的隔离度

  从图4、图5和图6中可以看出,回波损耗S11和隔离度的仿真结果和实测结果较为符合,而回波损耗S22的实测结果与仿真结果相差较大,不过其仿真结果和实测结果都已经满足北美应用的带宽要求(902MHz-928MHz)。

  天线的辐射方向图如图7所示。图7中示出了915MHz时端口1和端口2的两个主平面辐射方向图,可以看出得到了很好的辐射特性,交叉极化值也很小;天线增益大约为7.5dBi;仿真的天线效率大约为90%。通过端口1和端口2激励,可以得到双极化。

  

  (a)端口1的x-z面

  

  (b)端口1的y-z面

  

  (c)端口2的x-z面

  

  (d)端口2的y-z面

  图7 端口1和2两主平面的辐射方向图

  4 结论

  在本文中,利用缝隙耦合实现天线馈电,得到双极化的微带天线。基于仿真结果,我们加工了天线实物,并测试了天线。天线中心频率为915MHz,带宽在 VSWR=1.5时能够覆盖902MHz-928MHz频段;同时天线在工作频段内具有较高的隔离度、良好的增益特性和交叉极化特性。此天线适合于 RFID读写器应用。

关键词: RFID UHF 天线

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