微百科 | RFID雙頻微帶天線仿真與設(shè)計(jì)

引言

        RFID技術(shù)即射頻識(shí)別技術(shù)，是一種無線通信技術(shù)。其技術(shù)原理是通過射頻信號(hào)的空間耦合(交變磁場或電磁場)來實(shí)現(xiàn)無接觸數(shù)據(jù)交換并達(dá)到互相識(shí)別目的的一項(xiàng)技術(shù)。RFID系統(tǒng)的組成大致包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、識(shí)讀器、和RFID標(biāo)簽。其中識(shí)讀器是由天線、耦合元件、芯片組成的讀取和寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備。標(biāo)簽是由天線，耦合元件及芯片組成作為應(yīng)答器的設(shè)備。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是利用應(yīng)用層軟件將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。射頻識(shí)別在商品的物流跟蹤、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、支付系統(tǒng)等方面的得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究RFID技術(shù)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。

微帶天線概述

2.1 微帶天線的概念，發(fā)展及應(yīng)用
        微帶天線是一種將介質(zhì)基板一面制成一定形狀金屬貼片另一面有導(dǎo)體接地板組成的天線。微帶天線通常用微帶傳輸線或同軸探針來饋電[5]。1953年，Deschamps率先提出微帶輻射器的概念。20世紀(jì)70年代以后隨著光刻蝕技術(shù)的發(fā)展以及微帶天線理論模型的提出，實(shí)際的微帶天線被制造出來。如今，微帶天線被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、無線通訊設(shè)備、射頻識(shí)別系統(tǒng)等方面。
2.2 微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)
        優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、低剖面、易于集成化、成本低、能與載體共形、易實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化、無需額外添加匹配電路。
        缺點(diǎn)：增益低、諧振頻率帶寬低、輻射空間小、輻射功率小等。
2.3 天線的帶寬
        任何天線的工作頻率都會(huì)有一定的范圍，天線的電參數(shù)隨頻率的改變而改變，當(dāng)定義天線的電參數(shù)在容許范圍之內(nèi)的頻率范圍為天線的帶寬。
        若天線的中心工作頻率為∫0，最高工作頻率是∫max，最低工作頻率為∫min。
        天線的絕對(duì)帶寬?∫=∫max-∫min，相對(duì)帶寬為 (?∫)/(∫0) ，對(duì)于寬頻帶天線通常用表示帶寬(∫max)/(∫min)。

天線多頻的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 天線多頻的實(shí)現(xiàn)方法
        傳統(tǒng)的射頻識(shí)別天線一般工作在單一頻段，而多頻讀寫器天線可以同時(shí)讀取多個(gè)頻段的標(biāo)簽。目前實(shí)現(xiàn)多頻的技術(shù)大致可以分為如下三種:
        (1)正交模雙頻微帶天線
        正交模實(shí)現(xiàn)雙頻的方法是利用矩形輻射貼片長和寬兩正交邊的第一諧振頻率實(shí)現(xiàn)雙頻比如TM10和TM01，這種方式的局限是在兩個(gè)頻率上呈現(xiàn)正交極化，但是它在低成本和短距離應(yīng)用很廣。而上述實(shí)現(xiàn)雙頻的方法，我們可以推廣到任意形狀的貼片。這類天線我們把它稱為正交模式雙頻貼片天線，其特征是利用兩個(gè)極化正交的諧振模。這類天線根據(jù)饋電方式的不同又可分為單饋和雙饋兩類。具體饋電方式包括:探針饋電，縫隙饋電和電磁耦合饋電等。
        (2)多貼片多頻天線
        多貼片多頻天線是利用多個(gè)輻射單元來實(shí)現(xiàn)雙頻且得到的雙頻的極化可以是同一極化方式也可以是多極化的。這種天線可以有多個(gè)貼片結(jié)構(gòu)，分別是疊層結(jié)構(gòu)和共面多頻諧振器結(jié)構(gòu)。
        (3)電抗性加載貼片天線
        電抗性加載貼片技術(shù)目前使用最為廣泛的雙頻技術(shù)，它是通過在單一貼片上加載電抗性負(fù)載來獲取雙頻。電抗性負(fù)載包括短截線，開設(shè)槽口，銷釘和電容及縫隙等。
        除去以上三種方法還有別的一些方法來實(shí)現(xiàn)雙頻，如分形天線，空氣縫隙天線等。
3.2 多頻天線具體實(shí)現(xiàn)
        如圖3-1所示，是一個(gè)三頻的單極子天線的仿真模型圖。圖中該天線有兩個(gè)單極子天線模塊組成，分別產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻率。同時(shí)，ACPW結(jié)構(gòu)用于對(duì)單極子饋電的同時(shí)，本身產(chǎn)生了第三個(gè)頻率。天線用到了多貼片和縫隙耦合實(shí)現(xiàn)多工作頻率[9]。從而得到的天線回波阻抗如圖3-2所示：

圖3-1天線模型圖 圖3-2天線的回波阻抗圖
        如圖所示天線實(shí)現(xiàn)了三個(gè)工作頻率，分別為0.88MHz、1.6GHz、2.49GHz。
3.3 加工與測試
        如圖3-3所示，為三頻天線的加工實(shí)物圖。利用微波暗室和失網(wǎng)分析儀對(duì)天線的方向圖和回波參數(shù)進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果如下圖3-4和圖3-5所示。

　　圖3-3三頻天線實(shí)物圖 圖3-5 2.45GHz時(shí)天線實(shí)測方向圖 圖3-5 天線實(shí)測回波參數(shù)
        多頻天線在很多領(lǐng)域應(yīng)用越來越迫切。例如在射頻技術(shù)應(yīng)用中，現(xiàn)代射頻標(biāo)準(zhǔn)有很多，例如工作在915MHZ，2.45GHz,5.8GHz等，要想同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或以上頻段應(yīng)用必須設(shè)計(jì)出有兩個(gè)以上工作頻率的天線。再例如，我國移動(dòng)通信處在2G，3G和4G混合應(yīng)用的時(shí)代，很多手機(jī)要求能同時(shí)工作在GSM900/1800/2100MHz, GPRS, EDGE, WCDMA等多種網(wǎng)絡(luò)類型。

雙頻RFID天線的仿真與優(yōu)化

4.1 雙頻RFID天線設(shè)計(jì)指標(biāo)
        射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)常見的工作頻率在超高頻時(shí)為860~930MHz，在微波頻段常見的頻率在2.45GHz左右。由此本文設(shè)計(jì)了一款同時(shí)工作于915MHz左右和2.45GHz左右的雙頻RFID讀寫器天線，要求天線在較低頻率時(shí)候的帶寬不低于30MHz，在較高頻率時(shí)帶寬不低于70MHz，在915MHz的增益為5，在2.45MHz的增益為10。天線的尺寸為226x188mm�？紤]到應(yīng)用到實(shí)際中的成本問題，我們采用較為普遍且價(jià)格便宜的1.2mm厚度的FR4作為介質(zhì)基板，天線的輻射貼片采用銅片。天線的饋電方式采用同軸線背饋。
4.2 雙頻RFID天線結(jié)構(gòu)
4.2.1 輻射貼片結(jié)構(gòu)
        天線的輻射貼片如圖4-1所示，其中藍(lán)色為部分為開槽部分：

圖4-1 天線模型 圖4-2同軸線饋電部分

4.2.2 天線饋電
        天線的饋電是連接天線與收發(fā)信機(jī)之間的電信號(hào)能量傳輸?shù)难b置，天線的饋電方式有很多種，在微帶天線中，同軸線是應(yīng)用較為廣泛的饋電方式之一。如圖3-2所示采用的就是同軸線饋電，其中紅色柱狀就是天線的饋電。
4.3 天線的優(yōu)化
        我們通過調(diào)整天線的某些參數(shù)可以使天線的性能發(fā)生變化。利用hfss對(duì)天線對(duì)天線的一些參數(shù)調(diào)整，從而得到最優(yōu)的結(jié)果。調(diào)整輻射貼片與基板之間空氣層h的高度從6mm到8mm，調(diào)整的步幅為0.2mm，天線的回波參數(shù)如圖4-3所示;通過調(diào)整發(fā)現(xiàn)，輻射貼片與基板之間距離在6mm到8mm之間時(shí)對(duì)天線的兩個(gè)工作頻率影響較小，但是在高頻和低頻之間出現(xiàn)了第三個(gè)頻率。當(dāng)h為7mm時(shí)，多余頻率s11低于10dB，符合要求。調(diào)整天線矩形縫隙ws的寬度，當(dāng)ws的寬度為2mm時(shí)天線達(dá)到最優(yōu)。如圖4-4所示:

圖4-3改變h天線的回波參數(shù)圖 圖4-4 ws變化對(duì)天線性能的影響

        如圖4-5所示，當(dāng)輻射貼片與基板之間高度為7mm時(shí)，調(diào)整貼片內(nèi)圓半徑b從14mm到24mm，當(dāng)b為18mm時(shí)天線得到最優(yōu)。當(dāng)b小于18mm時(shí)對(duì)天線中心頻率大小影響較小但是降低了其回波參數(shù)。當(dāng)b大于18時(shí)，中心頻率發(fā)生偏移向中心靠攏。

圖4-5 b對(duì)天線的影響

        通過優(yōu)化，得到天線最終尺寸如下表4-1所示：
        表4-1天線最終尺寸

4.4 天線的各項(xiàng)性能指標(biāo)
4.4.1 天線的回波損耗
        如圖4-6所示，天線的在低頻時(shí)中心頻率為910MHz，S11為-27dB,帶寬為40MHz。天線在高頻時(shí)中心頻率為2.46GHz，S11為-23.5dB,天線帶寬為90Mhz。

圖4-6 天線的回波損耗圖 圖4-7天線的史密斯圓圖
4.4.2 smith圓圖結(jié)果和輸入阻抗
        如圖4-7所示，為天線的smith圓圖。如圖可知，天線在910MHz時(shí)，歸一化阻抗為1.0036+0.0824i。天線在2.44GHz時(shí)的歸一化阻抗為1.2636+0.0589i。
4.4.3 天線的三維增益方向圖
        如圖所示4-8所示為天線的三維增益方向圖，如圖所示天線的輻射主要在微帶貼片的法方向上，即z坐標(biāo)軸方向。

　　圖4-8 三維增益方向圖

4.4.4 E面增益方向圖
        E面也就是最大輻射電場所在平面，對(duì)于本設(shè)計(jì)也就是平行于xoy平面的微帶天線。如圖4-9所示為天線在915MHz方向圖。圖4-10為天線在2.45GHz的時(shí)的方向圖。圖4-11為天線在915MHz時(shí)的天線參數(shù)計(jì)算機(jī)結(jié)果和最大遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。圖4-12為天線在2.45GHz時(shí)的天線參數(shù)計(jì)算機(jī)結(jié)果和最大遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。

圖4-9 E面增益方向圖 圖4-10 2.45GHz時(shí)的E面增益圖

        如圖4-11和4-12所示，可以得出天線在915MHz時(shí)，天線的最大增益為6.189,最大輻射強(qiáng)度為0.48749w/sr，方向性系數(shù)為6.2095。天線在2.45Ghz時(shí)，天線的最大增益為11.342,最大輻射強(qiáng)度為0.89881w/sr，方向性系數(shù)為11.189。天線的仿真結(jié)果符合預(yù)期。

圖4-11 915MHz時(shí)天線參數(shù)最大遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

圖4-12 2.45GHz時(shí)天線參數(shù)最大遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

天線的加工、測試、調(diào)試、誤差分析和改進(jìn)

5.1 天線實(shí)物的加工、測試、
        考慮的成本問題，本設(shè)計(jì)采用材料是較為便宜和普遍的銅箔和1.2mm介電常數(shù)為4.4的FR4單面覆銅板材。天線的輻射部分為銅箔，利用激光雕刻機(jī)對(duì)銅箔進(jìn)行切割，開槽從而得到輻射貼片。天線的饋電采用的是同軸線背饋，匹配負(fù)載的匹配阻抗為50歐姆。由于輻射貼片與基板之間時(shí)空氣層，考慮到實(shí)驗(yàn)環(huán)境，我們用泡沫對(duì)代替空氣層，對(duì)貼片起到一定的支撐作用。
        如圖5-1所示為天線加工，焊接完成的實(shí)物圖。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對(duì)天線的進(jìn)行實(shí)測，測試如圖5-2所示

圖5-1天線加工實(shí)物圖 圖5-1天線加工、焊接完成的實(shí)物圖

5.2 天線的測試結(jié)果
        圖5-3所示為天線實(shí)測的回波損耗參數(shù)，天線的兩個(gè)中心頻率為912MHz和2.12GHz。圖5-4所示為失量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的實(shí)測的駐波比圖，如圖所示天線在912MHz和2.12GHz天線的駐波比為分別為1.19和1.44天線的反射率低于4%，符合天線能量反射損耗的要求。

圖5-3 天線回波損耗 圖5-4 天線的駐波比

5.3 天線的誤差分析
        通過對(duì)雙頻天線的實(shí)際測量，天線在低頻時(shí)中心頻率為912MHz符合預(yù)期結(jié)果。天線在高頻時(shí)實(shí)測中心頻率值為2.12GHz與預(yù)期的2.45GHz相差300MHz。實(shí)測時(shí)高頻結(jié)果相差比較大。由此可見該雙頻天線在低頻時(shí)抗干擾能力比高頻時(shí)抗干擾能力強(qiáng)。考慮到天線輻射貼片為銅片容易變形且在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其加工時(shí)尺寸會(huì)存在一定的誤差。同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)，天線在設(shè)計(jì)時(shí)輻射貼片與基板之間存在空氣層，考慮到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境利用同等高度的泡沫代替空氣層對(duì)天線起到支撐作用。
        在對(duì)天線進(jìn)行實(shí)測時(shí)，基板與貼片之間空氣層用泡沫代替，但是泡沫介電常數(shù)比空氣略高，通過對(duì)泡沫介電常數(shù)從1.1到1.5進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)隨著介電常數(shù)增加，高頻中心頻率向左偏移。介電常數(shù)與中心頻率關(guān)系如表5-1所示：
        表5-1 介電常數(shù)與中心頻率關(guān)系

        另外，在第四章中對(duì)天線的優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)基板與輻射貼片之間的高度,矩形縫隙寬度ws都會(huì)對(duì)天線的中心頻率有一定影響。在對(duì)中心開槽的圓形半徑b進(jìn)行掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)b大于18mm時(shí)天線的兩個(gè)中心頻率在向中心靠攏。而這些尺寸方面的誤差都可能會(huì)在加工過程中出現(xiàn)，從而使高頻頻率發(fā)生偏差。除此之外，在焊接匹配負(fù)載的時(shí)候，由于手工的焊接對(duì)饋電的位置把握和焊接工藝的偏差都會(huì)對(duì)加工的天線實(shí)物測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

總結(jié)

        本文對(duì)射頻技術(shù)進(jìn)行了總體闡述，對(duì)RFID技術(shù)的發(fā)展等做了簡單闡述。在理論知識(shí)方面首先介紹了天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，例如：天線的增益、方向性、天線的極化、輸入阻抗、駐波比等。隨后舉例矩形微帶天線說明微帶天線的工作原理。在第三章中介紹了天線實(shí)現(xiàn)多頻的方法。在第四章和第五章中設(shè)計(jì)仿真了一款雙頻RFID微帶天線，并對(duì)天線進(jìn)行了加工實(shí)測。在論文設(shè)計(jì)過程中，充分利用了學(xué)校的圖書資源和檢索庫的資源，學(xué)習(xí)了很多相關(guān)知識(shí)。利用業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)了電磁仿真軟件hfss，能利用仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真優(yōu)化。在老師的指導(dǎo)下對(duì)天線的實(shí)物加工過程有了一定的了解，并在老師的帶領(lǐng)下通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測試。盡管如此，在整個(gè)論文設(shè)計(jì)中也走了很多彎路，在之前設(shè)計(jì)仿真得幾款天線由于沒有考慮到材料的成本和加工的難度，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)的問題。
        注：本文來源互聯(lián)網(wǎng)，作者董成菠，如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。