基于RFID的小型圓極化天線(xiàn)的研究

1 具體設計方案的分析及選擇
微帶天線(xiàn)利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線(xiàn)良好匹配，且體積小剖面低、電性能優(yōu)良、實(shí)現了一維小型化?；诖思靶⌒突炀€(xiàn)采用微帶天線(xiàn)形式。而微帶天線(xiàn)實(shí)現圓極化的饋電方法主要有：雙饋點(diǎn)饋電和單饋點(diǎn)饋電。其中每一種饋電方法又分別可采用直接饋電、縫隙耦合饋電、探針饋電等多種饋電方式。雙饋點(diǎn)法需要制作獨立的3 dBi耦合器，形式復雜且對隔離端口隔離度要求很高，暫不考慮；縫隙耦合法在設計小尺寸天線(xiàn)時(shí)增益很難到達6 dBi的設計要求；探針饋電難以兼顧駐波比、軸比、增益同時(shí)達到最佳狀態(tài)。直接饋電的單饋點(diǎn)法不需設計任何復雜的移相網(wǎng)絡(luò )和功率分配就可實(shí)現圓極化輻射，是實(shí)現圓極化的簡(jiǎn)單易行的方法，所以采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電?；诳涨荒Ｐ屠碚撛O計在方形貼片上通過(guò)切角引入幾何微擾，即附加簡(jiǎn)并模分離單元，使簡(jiǎn)并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離。方形切角天線(xiàn)具有較寬的極化和阻抗帶寬。邊沿饋電技術(shù)易控制輸入阻抗水平，隨著(zhù)饋線(xiàn)和貼片接觸點(diǎn)不同諧振阻抗從幾歐到250Ω不等，考慮阻抗匹配則采用邊沿饋電。但由于微帶天線(xiàn)諧振腔內高Q值諧振特性導致窄頻帶特性。天線(xiàn)采用
增大基片厚度和降低基片相對介電常數來(lái)降低Q值?；殡姵翟降?、厚度越厚，其Q值越小則帶寬越大。但基片過(guò)厚，基片厚度和波長(cháng)之比過(guò)大會(huì )加大表面波輻射損耗，引起表面波的明顯激勵以致輻射效率降低，厚度的增加只能在保證表面波激勵最小的條件范圍內增加。所以設計此時(shí)沒(méi)有一味增加基片厚度而是采用在FR4介質(zhì)基片上進(jìn)行挖孔?？諝獾慕殡姵禐?，小于FR4的介電常數，從而使等效相對介電常數減小。這樣既降低了介電常數又控制了厚度從而不會(huì )影響小型化和避免了輻射效率低，這是本天線(xiàn)的一大創(chuàng )新點(diǎn)，即可通過(guò)調整挖孔大小來(lái)方便的調節介電常數，使介質(zhì)等效介電常數在1~4．4范圍內變化，等效介電常數由FR4的體積與圓孔體積的比例大小決定。通過(guò)某種形式的電抗加載可增加系統帶寬，運用此概念用寄生加載來(lái)增加帶寬。為避免共面寄生加載時(shí)輻射方向圖隨頻率有較大變化，采用不共面寄生加載，設置一塊銅片作為寄生單元放在主饋貼片上面以提供容性電抗來(lái)增加帶寬。文中還采用加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)展寬帶寬。匹配網(wǎng)絡(luò )采用與微帶饋線(xiàn)先串聯(lián)電容，再引入一塊銅片與殼體形成結構電容，焊接在微帶上，相當于并聯(lián)一定值電容，可通過(guò)調節銅片位置及大小進(jìn)行匹配以達到駐波和帶寬要求。結構電容的引入是本天線(xiàn)另一創(chuàng )新點(diǎn)，解決了一般閱讀器天線(xiàn)不好加載匹配的問(wèn)題，通過(guò)調節銅片面積及與殼體距離可方便調節并聯(lián)電容大小。展寬帶寬及低介電常數可增強產(chǎn)生輻射的邊緣場(chǎng)，且介質(zhì)基片損耗必須足夠小以降低衰減，故采用價(jià)格低廉的FR4作為介質(zhì)板，介電常數為4．4，損耗角為0．02，滿(mǎn)足低損耗低介電常數的特點(diǎn)。且采用填充FR4介質(zhì)可實(shí)現小型化。主輻射面邊長(cháng)

諧振頻率給定時(shí)尺寸與成反比，介電常數增大，天線(xiàn)尺寸將減小。采用填充介質(zhì)RF4后比沒(méi)填充介質(zhì)前體積減小近一半以實(shí)現小型化。綜上所述得出設計方案，結構如圖1所示。

2 關(guān)鍵尺寸分析
2．1 切角大小C、方形主輻射面的邊長(cháng)L及介質(zhì)板上圓孔半徑r

根據式(1)可算出主輻射面邊長(cháng)大概值為78 mm，由于寄生單元的加載所需輻射面邊長(cháng)78 mm，以此值為基點(diǎn)利用HFSS來(lái)仿真優(yōu)化。表l是仿真結果，可得切角對增益影響不大而連同L與r對軸比有顯著(zhù)影響。輻射面和孔半徑一定隨著(zhù)切角增大軸比先是減小，但當大于一定值時(shí)軸比又隨切角增大而變差，即切角在一定范圍內可優(yōu)化軸比。而僅單一調節切角大小來(lái)改善軸比不能達到3 dB的目標，要結合調節輻射面和孔的大小來(lái)優(yōu)化軸比。因為實(shí)現圓極化要求產(chǎn)生兩個(gè)極化正交、幅度相等、模電壓相位相差90°的簡(jiǎn)并模，即L與切角滿(mǎn)足關(guān)系式

而孔的大小又與L成一定的匹配關(guān)系(下文詳述)，從而如果切角、L、r不滿(mǎn)足上述關(guān)系時(shí)會(huì )導致兩簡(jiǎn)并模之間的相位差大于或90°導致軸比變差。而增益受L與r共同影響，單一增大L對改善增益是沒(méi)有效果的。L與r要滿(mǎn)足一定關(guān)系才能優(yōu)化增益。r的大小直接影響介質(zhì)板的等效介電常數在1～4．4范圍內變化，調節r就可方便容易的調節等效介電常數。半徑越大，介質(zhì)板中空氣的比例越大，等效介電常數就越小。而等效介電常數與￡要滿(mǎn)足關(guān)系式(1)，所以在調節r的同時(shí)也要調節L，而一般L越大增益就會(huì )越大。但要在滿(mǎn)足上述關(guān)系下增大和調節L，因為輻射面、介質(zhì)板和地平面等效為一段長(cháng)為L(cháng)的低阻抗微帶傳輸線(xiàn)，在傳輸線(xiàn)兩端斷開(kāi)形成開(kāi)路。兩開(kāi)路端電場(chǎng)可分解為相對于接地板的垂直和水平分量。兩個(gè)垂直分量電場(chǎng)相反，水平分量電場(chǎng)方向相同。在垂直于接地板方向，兩水平分量電場(chǎng)產(chǎn)生的遠區場(chǎng)同相疊加，形成了最大輻射方向。如果L與r(即)不滿(mǎn)足關(guān)系式會(huì )影響電場(chǎng)方向，不能使兩水平分量電場(chǎng)達到最大同相疊加從而導致增益減小。還發(fā)現切角深度的加深使諧振頻率向右稍微偏移。因為隨切角深度的加大，有效諧振邊減小，使得諧振頻率發(fā)生一定偏移。
2．2 匹配網(wǎng)絡(luò )
為使天線(xiàn)的負載能夠吸收全部入射波功率所以進(jìn)行阻抗匹配，若不匹配將會(huì )引起嚴重反射，使效率降低，影響增益與軸比，故銅片的尺寸、位置和串聯(lián)電容對天線(xiàn)的增益和軸比有重要影響。本天線(xiàn)采用串并聯(lián)結合將阻抗匹配到50 Ω，等效電路，如圖2所示。其中，R、L為微帶饋線(xiàn)的等效電阻和電感，C1為串聯(lián)電容，C0為銅片形成的等效并聯(lián)電容。在不加匹配網(wǎng)絡(luò )前阻抗位置在感性阻抗區，所以進(jìn)行串并聯(lián)電容來(lái)增大容抗使阻抗向容性阻抗方向變化。電容容抗為l／jωC1，C1越大容抗越小，較小串聯(lián)電容會(huì )較大改變阻抗，C1≥33 pF時(shí)對阻抗改變幾乎沒(méi)有影響，如果電容再增大就相當于短路。而在適當范圍內隨著(zhù)串聯(lián)電容的增大，阻抗點(diǎn)位置沿等電阻圓順時(shí)針移動(dòng)。本天線(xiàn)的創(chuàng )新點(diǎn)在于作為結構電容的銅片，與殼體形成平板電容，相當于與微帶并聯(lián)電容，形成的平板電容器電容