《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于高阻表面的2.45 GHz頻段讀寫(xiě)器天線
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第11期
宮海波1,2 , 武岳山1,2, 劉奕昌2
1. 西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710127;2. 深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司, 廣東 深圳 518057
摘要: 2.45 GHz頻段是RFID常用的頻段之一。為了實(shí)現(xiàn)一款該頻段的性能良好的天線,在改善縫隙耦合饋電天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在天線設(shè)計(jì)中融入高阻表面型微波光子晶體結(jié)構(gòu)。新穎的天線結(jié)構(gòu)及有效的設(shè)計(jì)思路,使天線在保持高增益的情況下,在更寬的頻帶上具有更好的穩(wěn)定性,同時(shí)也減小了天線的尺寸,使天線整體性能更加完善。
中圖分類(lèi)號(hào): TN82
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2010)10-0110-04
2.45 GHz-band reader antenna based on high-impedance surface
GONG Hai Bo1,2, WU Yue Shan1,2, LIU Yi Chang2
1. School of Information Science & Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China;2. Invengo Information Technology Co., Ltd, Shenzhen 518057, China
Abstract: 2.45 GHz band is one of the bands which are commonly used in RFID. In order to achieve an antenna with good performance in this band, on the basis of improving the aperture-coupled feed antenna structure, we introduce a high-impedance surface of microwave photonic crystal structure in antenna design. By novel structure and effective design idea, the antenna can maintain a high gain and has a better stability in a wider band, the size of the antenna will be reduced at the same time, so that the overall performance of the antenna will be more perfect.
Key words : circularly polarized antenna; aperture-coupled; high-impedance surface

 微帶天線以其體積小、低剖面、易加工以及易與電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)在通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前,高性能圓極化微帶天線的應(yīng)用愈加廣泛。
 隨著RFID技術(shù)的發(fā)展,對(duì)讀寫(xiě)器天線,尤其是微帶天線的尺寸、性能有了更高的要求。因此,國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)微帶天線的小型化、寬頻帶、高增益等技術(shù)做了廣泛而深入的研究。但是尺寸的過(guò)分縮減會(huì)引起天線其他性能的急劇劣化,其中對(duì)帶寬與增益的影響尤為明顯,因此各個(gè)參數(shù)與性能之間需折中考慮。
 本文設(shè)計(jì)了一款采用縫隙耦合饋電的2.45 GHz讀寫(xiě)器圓極化微帶天線,通過(guò)對(duì)貼片邊緣進(jìn)行開(kāi)槽,改善耦合縫隙,并融入高阻表面微波光子晶體結(jié)構(gòu),最終使天線的帶寬、增益、尺寸等參數(shù)性能均有所改善。這是一款性能良好的天線。新穎的天線結(jié)構(gòu)及有效的設(shè)計(jì)思路對(duì)于讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。
1 縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)及高阻表面理論模型
 微帶天線饋電除了微帶線饋電和同軸線饋電兩種基本方式外,還包括臨近耦合饋電、縫隙耦合饋電、共面波導(dǎo)饋電等一些新技術(shù)[1]。綜合比較,縫隙耦合饋電天線具有低剖面結(jié)構(gòu),易與微波電路連接,容易調(diào)節(jié)阻抗匹配,而且容易得到大帶寬[2],因此適用于高性能天線的設(shè)計(jì)。
 高阻抗電磁表面是電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)的一種,由金屬和介質(zhì)材料組成,它不僅和其他類(lèi)型(如介質(zhì)型和金屬型)EBG結(jié)構(gòu)一樣具有抑制表面波的作用,還能在一定的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同相反射,可以代替金屬反射面作為天線的接地板,從而降低天線的輪廓[3]。圖1是一種最常見(jiàn)的高阻反射面。
 高阻電磁表面由于單元尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng),所以電磁特性可以采用集總電路組件——電容和電感來(lái)進(jìn)行描述。相鄰的金屬單元之間產(chǎn)生電容,連接它們的導(dǎo)電通路產(chǎn)生電感,其特性就如同并聯(lián)LC諧振電路。
 根據(jù)等效表面阻抗模型,高阻表面單元的諧振頻率和帶寬為:

2 天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與性能分析
 本文從縫隙耦合微帶天線理論模型出發(fā),天線采用單個(gè)饋源激勵(lì),調(diào)節(jié)阻抗匹配線接入饋線雙臂的位置,使饋線雙臂的長(zhǎng)度相差?姿/4,使兩個(gè)端口的激勵(lì)等幅而相位差為90°,從而實(shí)現(xiàn)圓極化??梢愿鶕?jù)實(shí)際需要,通過(guò)調(diào)整阻抗匹配線的彎折方向?qū)崿F(xiàn)左旋或右旋圓極化,饋電方式簡(jiǎn)單有效。輻射層介質(zhì)為空氣,其介電常數(shù)低而厚度較大,在提高輻射特性的同時(shí)可展寬天線頻帶。饋線層介質(zhì)為聚乙烯,其介電常數(shù)較高而厚度較薄,在減小寄生輻射的同時(shí)可獲得良好的傳輸性能。
2.1 天線耦合縫隙設(shè)計(jì)
 耦合縫隙的形狀及參數(shù)影響電磁耦合量,從而影響天線的帶寬。耦合量對(duì)諧振頻率影響很大,充分的耦合會(huì)顯著降低諧振頻率。因此,選擇合適的縫隙有利于天線的寬頻帶設(shè)計(jì)和小型化設(shè)計(jì)??p隙的寬度對(duì)耦合量影響不是很大,相比較來(lái)說(shuō)縫隙的長(zhǎng)度對(duì)耦合量的影響比較大??p隙太窄,導(dǎo)致耦合量不夠;縫隙太寬,又會(huì)影響方向圖的前后比從而減小輻射效率??p隙長(zhǎng)度增長(zhǎng),會(huì)使諧振頻率降低,諧振阻抗增加,這也說(shuō)明縫隙長(zhǎng)度越長(zhǎng),貼片與饋線之間能量耦合能力越強(qiáng)。
 結(jié)合常用的“工”型、“十”型、“H”型耦合縫隙的形式,本文設(shè)計(jì)了“國(guó)”字型耦合縫隙?!皣?guó)”字型耦合縫隙結(jié)構(gòu)緊湊而且可調(diào)參數(shù)更多。外圍縫隙寬度較窄而內(nèi)側(cè)縫隙寬度較寬,所以耦合縫隙結(jié)構(gòu)緊湊但是又可以保證足夠的耦合量。因此在提高天線帶寬的情況下,有利于天線的小型化設(shè)計(jì)。

2.2 天線加載高阻表面的設(shè)計(jì)
 為了提高天線的性能以及減小后向輻射,縫隙耦合微帶天線一般在天線下方放置金屬反射面,金屬反射面與天線之間需要保持?姿/4的高度,天線的剖面尺寸較大。在特定的頻段,高阻表面對(duì)于入射的平面電磁波具有同相反射的特性,天線和高阻表面之間的距離可以幾乎為零,因此應(yīng)用高阻表面是實(shí)現(xiàn)低剖面天線的一種極好的選擇。
 實(shí)際應(yīng)用中,高阻表面必須有足夠的單元數(shù),否則應(yīng)用效果不明顯[4]。如果在2.45 GHz頻段采用圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高阻表面,單元尺寸過(guò)大,在本文天線的饋線層大小的面積上,可容納的單元數(shù)不超過(guò)4個(gè)。因此,必須實(shí)現(xiàn)高阻表面的小型化設(shè)計(jì)。

 從高阻表面等效電路模型來(lái)看,降低帶隙頻率可通過(guò)增大等效電感L和電容C來(lái)實(shí)現(xiàn)。電感由電磁表面的材料決定,當(dāng)制備材料確定后,電感就確定了。而影響電容的因素則很多,可以通過(guò)改變周期單元的結(jié)構(gòu)來(lái)改變電容的量值[5]。由此本文設(shè)計(jì)了開(kāi)縫嵌入式結(jié)構(gòu),貼片單元分支線線寬和分支線間距均為0.4 mm,單元邊長(zhǎng)為13 mm,襯底材料為Rogers RO3210(tm),先后設(shè)計(jì)了L縫、F縫嵌入式結(jié)構(gòu),如圖2所示。

   參考文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的交互嵌入式結(jié)構(gòu)(如圖2(a)所示)相比圖1所示結(jié)構(gòu),可以形成更強(qiáng)的耦合電容,減小單元尺寸超過(guò)60%。但是隨著迭代次數(shù)的增加,減小單元尺寸效果微乎其微,沒(méi)有充分利用有限的貼片面積。研究發(fā)現(xiàn),金屬貼片開(kāi)縫后,表面電流流經(jīng)的路徑變長(zhǎng),貼片等效的電尺寸變大,從而增強(qiáng)了單元之間的耦合電容,因此開(kāi)縫結(jié)構(gòu)與交互嵌入式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路完全相同。在交互嵌入式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合開(kāi)縫技術(shù)可以更有效地減小單元尺寸,從而更有效地利用貼片面積。本文設(shè)計(jì)的F縫嵌入式結(jié)構(gòu)可減小單元尺寸超過(guò)70%,在實(shí)現(xiàn)高阻面小型化設(shè)計(jì)中效果顯著。
 如圖3(a)所示,曲線1為未開(kāi)縫的嵌入式結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的反射相位曲線。在保持L型縫隙長(zhǎng)度及寬度不變的情況下,數(shù)字遞增的反射相位變化曲線,對(duì)應(yīng)著L型縫隙由靠近貼片中心到靠近貼片邊緣的變化過(guò)程。因此,為有效減小單元尺寸,L型縫隙可以開(kāi)在貼片最外側(cè)。F型縫隙由L型縫隙和直線型縫隙組成。保持L型縫隙開(kāi)在貼片外側(cè),調(diào)節(jié)F型縫隙的直線縫位置,反射相位的影響如圖3(b)所示。直線縫越靠近貼片中心,對(duì)諧振頻率影響越大。F型縫隙可以有效利用單元的有效面積,最大限度地減小單元尺寸。其中,縫隙越寬、越長(zhǎng),諧振頻率就越低,但是縫隙長(zhǎng)度對(duì)諧振頻率的影響最大。

 采用圖2(c)所示的單元結(jié)構(gòu)組成高阻反射面,在饋線層大小的面積上,可容納的單元數(shù)為42個(gè),添加高阻表面后,天線的仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

   添加高阻表面后,天線的增益增加了2.5 dBi,天線的后瓣減小了7.4 dB,但是天線的帶寬卻明顯減小。由于高阻表面是諧振式電磁帶隙結(jié)構(gòu),所以高阻表面的同相反射的頻帶范圍較窄。尤其是高阻表面的單元尺寸的減小,導(dǎo)致了高阻表面帶隙寬度進(jìn)一步減小,因?yàn)樵诟纳茊卧叽绲倪^(guò)程中,利用單元形狀的變化來(lái)增大耦合電容,從而實(shí)現(xiàn)了小尺寸設(shè)計(jì),但是電感量沒(méi)有變化。由公式(1)可知,尺寸減小的同時(shí)帶寬也在減小。因此天線的帶寬需要進(jìn)一步展寬。
2.3 天線頻帶展寬的設(shè)計(jì)
 為了提高帶隙寬度,可以采用低介電常數(shù)基板、高磁導(dǎo)率基板和提高基板厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而采用低介電常數(shù)的基板和提高基板厚度不利于天線的小型化設(shè)計(jì),并且只有特殊材料的磁導(dǎo)率大于1,實(shí)際的應(yīng)用受到限制。
 在矩形貼片的適當(dāng)位置引入凹槽,改變貼片上的電流分布,天線可以獲得雙頻帶的特性。通過(guò)調(diào)整槽的尺寸,使兩個(gè)諧振頻率適當(dāng)接近,便形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路。貼片邊緣的電流分布密集,在邊緣開(kāi)槽,開(kāi)槽尺寸小而擴(kuò)展帶寬顯著。通過(guò)調(diào)整槽的尺寸,可以調(diào)節(jié)天線諧振參數(shù)。
3 天線設(shè)計(jì)與應(yīng)用
 本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。

   仿真結(jié)構(gòu)中,高阻反射面緊貼饋線層放置,文中為了展示天線的結(jié)構(gòu),高阻反射面才適當(dāng)下移一段高度。由圖8、圖9、圖10所示的仿真結(jié)果可以看出,開(kāi)槽前駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為300 MHz,開(kāi)槽后駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為570 MHz,開(kāi)槽后駐波在工作頻帶內(nèi)更加平坦,可見(jiàn)開(kāi)槽后天線帶寬得到很大提高。開(kāi)槽前、后天線增益變化不大,約為7.57 dBi。

 開(kāi)槽貼片的同時(shí)應(yīng)用高阻面,天線增益增加了2.36 dBi,天線的后瓣減小了10.6 dB,天線諧振頻率略微有所升高。筆者實(shí)際制作了天線,高阻反射面緊貼饋線而放置,高阻面的介質(zhì)厚度為2 mm,因此剖面厚度為2 mm,與金屬反射面的?姿/4的剖面厚度相比,剖面尺寸相當(dāng)小。通過(guò)實(shí)測(cè),天線駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為550 MHz,對(duì)實(shí)際標(biāo)簽的讀取距離略低于應(yīng)用金屬反射面的效果。分析發(fā)現(xiàn),主要是實(shí)物高阻表面的帶寬不夠理想。因此,如何在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步提高高阻面的帶隙寬度是下一步研究的方向。綜合來(lái)看,本文在改善縫隙耦合饋電天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,融合高阻反射面,實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶、高增益,從而實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)化的天線。
    本文從縫隙耦合微帶天線的理論模型出發(fā),通過(guò)改進(jìn)天線的結(jié)構(gòu)并引入高阻表面,實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶和高增益,實(shí)現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的2.45 GHz頻段RFID讀寫(xiě)器的微帶天線。本文所提出的天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路對(duì)于讀寫(xiě)器天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。
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