基于RFID的小型圆极化天线的研究

基于RFID的小型圆极化天线的研究 基于 RF ID 的小型圆极化天线的研究 1 1 2 静, 许定国, 程胜祥 李 ( 710071; 11西安电子科技大学 技术物理学院 , 陕西 西安 )300042 21中兴通讯股份有限公司 天津研究所 , 天津 摘 要 利用 H FSS软件研究了一种基于 R F ID 的工作在 902,928 MH z频段的小型圆极化微带天线 ; 结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 : 通过调节天线的介质板上圆孔的体积可有效地改善轴比和增益 ; 而采用加载结构电容的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 可有效地 、方 便地匹配阻抗 , 以解决一般阅读器天线不好加载匹配的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 () 关键词电磁场与微波技术 ; R F ID; 圆极化天线 ; 微带天线 ; 轴比 ; 增益 ; 小型化 + ( ) 中图分类号 TN821 11文献标识码 A文章编号 1007 - 7820 200901 - 016 - 04 Re sea rch on the RF ID 2ba sed Sm a ll C ircu la r ly Po la r ized An tenna 1 1 2L i J ing, Xu D ingguo, Cheng Shengxiang ( 11Schoo l of Techn ical Physic s, X id ian U n iv1, X iπan 710071 , Ch ina; )21ZTE Co rpo ration, Tian jin 300042 , Ch ina A b stra c t A sm a ll circu la rly po larized m ic ro strip an tenna wh ich wo rk s a t 902 ,928 MHz fo r RF ID isstud ied u sing software H FSS. R esu lts show tha t by ad ju sting the vo lum e of the round ho le on the m ed ium boa rd, bo th gain and axia l ra tio are imp roved effectively and tha t u sing the loaded structu re elec tric cap ac ity, imp edance is m a tched effec tively and conven ien tly so that the p rob lem is so lved that it is hard to load m atch fo r reader an tennas. Keyword s e lectrom agne tic field and m ic rowave techn ique; R F ID; circu la rly po larized an tenna; m i2 cro strip an tenna s; axia l ratio; ga in; m in ia tu rization 在 R F ID 系统中 , 标签摆放姿态的不固定要求法主要有 : 双馈点馈电和单馈点馈电。其中每一 读取其信息的阅读器天线是圆极化 , 而小型圆极 种馈电方法又分别可采用直接馈电 、缝隙耦合馈 [ 1 ] 化天线在 R F ID 中有重要应用且成为研究热点 。 电 、探针馈电等多种馈电方式 。双馈点法需要制 作独立的 3 dB i耦合器 , 形式复杂且对隔离端口隔 902 ,928 MH z 的6 dB i小文中 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 并研究了一款 离度要求很高 , 暂不考虑 ; 缝隙耦合法在设计小 型圆极化天线 , 轴比 < 3 dB。 尺寸天线时增益很难到达 6 dB i的设计要求 ; 探针 1 具体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的分析及选择馈电难以兼顾驻波比、轴比、增益同时达到最佳 状态。直接馈电的单馈点法不需设计任何复杂的 微带天线利于选取合适的馈电位置使辐射元 与馈线良好匹配 , 且体积小剖面低 、电性能优良 、 移相网络和功率分配就可实现圆极化辐射 , 是实 [ 2 ] 实现了一维小型化 。基于此及小型化天线采用 现圆极化的简单易行的方法 , 所以采用单馈点直 微带天线形式。而微带天线实现圆极化的馈电方 接馈电的方式馈电。基于空腔模型理论设计在方 形贴片上通过切角引入几何微扰 , 即附加简并模 分离单元 , 使简并正交模的谐振频率产生分离 收稿日期 : 2008210215 方形切角天线具有较宽的极化和阻抗带宽。边沿 ( ) 作者简介 : 李 静 1984 - , 女 , 硕士研究生 。研究方向 : [ 2 ] 馈电技术易控制输入阻抗水平 , 随着馈线和贴 Ω 片接触点不同谐振阻抗从几欧到 250不等 , 考虑 阻抗匹配则采用边沿馈电。但由于微带天线谐振 腔内高 Q 值谐振特性导致窄频带特性 。天线采用 增大基片厚度和降低基片相对介电常数来降低 Q 值。基片介电常数越低 、厚度越厚 , 其 Q 值越小 则带宽越大 。但基片过厚 , 基片厚度和波长之比 过大会加大表面波辐射损耗 , 引起表面波的明显 [ 2 ] 激励以致辐射效率降低 ,厚度的增加只能在保证 图 1 整体结构 表面波激励最小的条件范围内增加。所以设计此 时没有一味增加基片厚度而是采用在 FR4 介质基 2 关键尺寸分析 片上进行挖孔。空气的介电常数为 1 , 小于 FR4 的 211 切角大小 C、方形主辐射面的边长 L 及介质 介电常数 , 从而使等效相对介电常数减小。这样板上圆孔半径 r 既降低了介电常数又控制了厚度从而不会影响小表 1 C、L 及 r对增益轴比的影响 型化和避免了辐射效率低 , 这是本天线的一大创( len 辐射面 切角大小孔半径增益轴比 新点 , 即可通过调整挖孔大小来方便的调节介电 )边长一半 C /mm r/mm / dB i / dB /mm 常数 , 使介质等效介电常数在 1,414范围内变化 , 51510 1849 035 16 15 等效介电常数由 FR4 的体积与圆孔体积的比例大15 16 15 51680 11130 35 51810 91155 38 16 15 小决定。通过某种形式的电抗加载可增加系统带 [ 1 ] 36 16 15 61064 31045 宽 , 运用此概念用寄生加载来增加带宽 。为避61112 31900 36 17 20 免共面寄生加载时辐射方向图随频率有较大变化 ,37 21 20 61159 51170 37 21 16 61160 51880 采用不共面寄生加载 , 设置一块铜片作为寄生单61134 61306 37 24 15 元放在主馈贴片上面以提供容性电抗来增加带宽 。37 23 15 61145 61230 37 22 15 61146 51990 文中还采用加阻抗匹配网络来展宽带宽 。匹配网 37 21 15 61133 51880 络采用与微带馈线先串联电容 , 再引入一块铜片37 20 15 61128 51962 与壳体形成结构电容 , 焊接在微带上 , 相当于并37 19 15 61113 61906 37 18 15 61116 61780 联一定值电容 , 可通过调节铜片位置及大小进行37 17 15 61134 61908 匹配以达到驻波和带宽要求 。结构电容的引入是 37 16 15 61097 71479 本天线另一创新点 , 解决了一般阅读器天线不好 ( ) 根据式1 可 算 出 主 辐 射 面 边 长 大 概 值 为 加载匹配的问题 , 通过调节铜片面积及与壳体距 78 mm , 由 于 寄 生 单 元 的 加 载 所 需 辐 射 面 边 长 离可方便调节并联电容大小 。展宽带宽及低介电 < 78 mm , 以此值为基点利用 H FSS 来仿真优化。 常数可增强产生辐射的边缘场 , 且介质基片损耗 表 1是仿真结果 , 可得切角对增益影响不大而连同 , 故采用价格低廉的 FR4必须足够小以降低衰减 L 与 r对轴比有显著影响。辐射面和孔半径一定随 作为介质板 , 介电常数为 414 , 损耗角为 0102 , 满 着切角增大轴比先是减小 , 但当大于一定值时轴 比又随切角增大而变差 , 即切角在一定范围内可 足低损 耗低介电常数的特点 。且采用填充 FR4 介 优化轴比。而仅单一调节切角大小来改善轴比不 质可实现小型化。主辐射面边长 能达到 < 3 dB 的目标 , 要结合调节辐射面和孔的 ( )L = c / 2 fε1 0大小来优化轴比 。因为实现圆极化要求产生两个 ε 谐振频率给定时尺寸与 成反比 , 介电常数极化正交、幅度相等、模电压相位相差 90 ?的简并 增大 , 天线尺寸将减小 。采用填充介质 R F4 后比 即 L 与切角满足关系式模 ,2 没填充介质前体积减小近一半以实现小型化 。综0 s /L= 1 / 2Q ( ) 2 0 上所述得出设计方案 , 结构如图 1所示。( 而孔的大小又与 L 成一定的匹配关系 下文详 ) 述 , 从而如果切角、L、 r不满足上述关系时会导 致两简并模之间的相位差大于或 < 90 ?导致轴比变 差。而增益受 L 与 r共同影响 , 单一增大 L 对改善 增益是没有效果的 。L 与 r要满足一定关系才能优 化增益。 r的大小直接影响介质板的等效介电常数 在 1 ,414 范围内变化 , 调节 r就可方便容易的调 节等效介电常数 。半径越大 , 介质板中空气的比 图 2 等效电路例越大 , 等效介电常数就越小。而等效介电常数 ( ) 与 L 要满足关系式 1 , 所以在调节 r的同时也要 铜片面积 S 与平板电容器电容成正比 , 铜片与调节 L , 而一般 L 越大增益就会越大 。但要在满足 壳体距离 d与之成反比。随着铜片与壳体距离减小 上述关系下增大和调节 L , 因为辐射面 、介质板和 铜片面积增大 , 阻抗点沿等电阻圆逆时针移动。 地平面等效为一段长为 L 的低阻抗微带传输线 , 在 传输线两端断开形成开路。两开路端电场可分解 3 优化后的结果为相对于接地板的垂直和水平分量。两个垂直分 量电场相反 , 水平分量电场方向相同。在垂直于 根据 仿真 天线各 部分 最 优 尺 寸 为 : 切 角 为 34 mm , 圆孔半径为 20 mm , 寄生单元尺寸为 88 3 接地板方向 , 两水平分量电场产生的远区场同相 91 3 1 mm , 辐射面尺寸为 72 3 72 3 01035 m , 介质 ()叠加 , 形成了最大辐射方向。如果 L 与 r 即 不满 板为 : 119 3 119 3 12 mm。在串联电容为 513 p F, 足关系式会影响电场方向 , 不能使两水平分量电 铜片大小为 9 3 9 mm , 距壳体距离为 115 mm 处阻 场达到最大同相叠加从而导致增益减小 。还发现 Ω抗为 50 。天线整体尺寸为 122 3 122 3 40 mm 切角深度的加深使谐振频率向右稍微偏移。因为 随切角深度的加大 , 有效谐振边减小 , 使得谐振 图 3,图 6为仿真结果 : 增益为 61743 dB i, 频率发生一定偏移。 轴比为 阻抗值 212 匹配网络 为使天线的负载能够吸收全部入射< 112 , 01522 dB , 在 902,928 MH z驻波比 波功率所以 Ω约为 50 。 进行阻抗匹配 , 若不匹配将会引起严重反射 , 使效 率降低 , 影响增益与轴比 , 故铜片的尺寸、位置和 串联电容对天线的增益和轴比有重要影响。本天线 Ω采用串并联结合将阻抗匹配到 50 , 等效电路 , 如 图 2所示。其中 , R、L 为微带馈线的等效电阻和电 感 , C为串联电容 , C为铜片形成的等效并联电 1 0 容。在不加匹配网络前阻抗位置在感性阻抗区 , 所 以进行串并联电容来增大容抗使阻抗向容性阻抗方 ω向变化。电容容抗为 1 / j C, C越大容抗越小 , 较 1 1 小串联电容会较大改变阻抗 , C?33 p F时对阻抗改 1 变几乎没有影响 , 如果电容再增大就相当于短路。 而在适当范围内随着串联电容的增大 , 阻抗点位置 沿等电阻圆顺时针移动。本天线的创新点在于作为 结构电容的铜片 , 与壳体形成平板电容 , 相当于与 微带并联电容 , 形成的平板电容器电容 επ( )C=S / 4kd 3 0 天线制作出来后用矢量网络分析仪对天线的 驻波和阻抗进行测量 : 驻波比在 40 MH z频带内都 Ω < 112。工作频段 902 ,928 MH z内阻抗在 50 附 近 , 阻抗得到良好匹配 。利用微波暗室对天线的 增益和轴比进行测量 , 增益为 6122 dB i, 轴比为 1137 dB。实测结果见图 7,图 10所示。 参考文献图 7 垂直面方向图 [ 1 ] 4 结束语R ao K V S, N ik itin. A R eview and A P rac tica l App lica2 tion [ J ]. A n tenna D e sign fo r UH F R F ID Tags, D ec, 本天线以两大创新点为基础设计并研究了适( ) 2005 , 53 12: 3870 - 3876. 用于 900 MH z无源 R F ID 系统的 6 dB i小型圆极化胡 杨. 基 于 微 带线 馈 电 的 无 源 R F ID 天 线 的 研 究 [ 2 ] [ D ]. 北京 : 北京交通大学 , 2006. 天线 , 实测的增益、阻抗、带宽、方向图及轴比 都满足 R F ID 系统的要求。