一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)設計

　　1 引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)RFID（射頻識別）技術(shù)快速發(fā)展，該技術(shù)已廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫療、防偽、跟蹤和資產(chǎn)管理等應用領(lǐng)域。當前，各國使用的頻段各不相同，在北美和南美，無(wú)源RFID頻段為902MHz到928MHz。許多工作者在縫隙耦合、高隔離度和雙極化等方面做了很多研究工作，比如提出了一種使用縫隙耦合的微帶天線(xiàn)，并得到了雙極化和二端口間的高隔離度，不過(guò)它的工作頻率是5.8GHz。提到的天線(xiàn)，雖然結構簡(jiǎn)單，中心工作頻率在 911MHz，但它的阻抗帶寬相對較窄。也有在865MHz到928MHz這樣寬頻帶工作的RFID天線(xiàn)，不過(guò)該天線(xiàn)只適合用作標簽天線(xiàn)。

　　對于微帶天線(xiàn)，相比于其他饋電機制，縫隙耦合具有更好的設計靈活性。雙極化工作的微帶天線(xiàn)也非常適合于RFID應用。因此，在本文中，我們提出了一種適合于北美和南美RFID應用的雙極化縫隙耦合的微帶天線(xiàn)。該微帶天線(xiàn)得到了較高的隔離度；天線(xiàn)的增益大約為7.5dBi；帶寬在VSWR=1.5時(shí)已經(jīng)覆蓋了902MHz-928MHz頻段。

　　2 天線(xiàn)設計

　　本文主要設計了一個(gè)縫隙耦合的微帶天線(xiàn)。天線(xiàn)分為三層：頂層是介質(zhì)層，介質(zhì)層上是輻射貼片；中間一層是空氣層；底層也是介質(zhì)層，介質(zhì)層上是接地層，介質(zhì)層下是饋電。它們的參數設置如下：介質(zhì)層厚度都為1.6mm；它們的相對介電常數都為4.4；為了增加天線(xiàn)的帶寬，這里選擇空氣層的厚度為25mm。天線(xiàn)的側視圖如圖1所示。

　　圖1 天線(xiàn)的側視圖

　　本設計采用單貼片，為了使天線(xiàn)諧振在915MHz，長(cháng)方形貼片的長(cháng)度選擇為113mm，寬度選擇為108mm。輻射貼片如圖2中的虛線(xiàn)框所示。

　　該天線(xiàn)的饋電方式采用縫隙耦合。在接地層中挖出兩個(gè)H形的縫隙。H形縫隙的寬度都相同（H形邊臂和中間臂寬度分別為1mm和0.5mm）；縫隙邊臂和中間臂的長(cháng)度和寬度如圖2所示（單位都為mm）。以輻射貼片的中心線(xiàn)確定一坐標（x軸和y軸），則從圖中可以看出，H形縫隙是關(guān)于y軸對稱(chēng)的；H形縫隙與x軸的相對位置也在圖2中標出。利用縫隙耦合，在端口1和端口2之間可以得到很高的隔離度。

　　圖2 天線(xiàn)的輻射貼片和耦合縫隙圖

　　在天線(xiàn)的底層下是饋電層，在本設計中饋電層是由50om的微帶線(xiàn)組成，微帶線(xiàn)的寬度為3.1mm。饋電層的俯視圖如圖3所示。圖中的t1=8.05mm，t2=11.95mm。

　　圖3 天線(xiàn)的饋電

　　3 結果

　　基于仿真結果，我們加工了一個(gè)天線(xiàn)實(shí)物，并利用網(wǎng)絡(luò )分析儀得到了測試結果。通過(guò)仿真，我們得到了較好的仿真結果：回波損耗S11和S22的帶寬（14dB 時(shí)）分別為44.51MHz（898.72MHz-943.23MHz）和66.24MHz（888.73MHz-954.97MHz）；而且在整個(gè)帶寬內，天線(xiàn)端口1和端口2的隔離度好于-34dB。實(shí)測結果中，回波損耗S11和S22的帶寬（14dB時(shí)）分別為63MHz（897.5MHz- 960.5MHz）和32.38MHz（896.37MHz-928.75MHz）；在整個(gè)帶寬內，天線(xiàn)端口1和端口2的隔離度好于-33dB。在圖4、圖5和圖6中分別示出了S11、S22和隔離度的仿真結果和實(shí)測結果。

　　圖4 仿真和實(shí)測的回波損耗S11

　　圖5 仿真和實(shí)測的回波損耗S22

　　圖6 仿真和實(shí)測的隔離度

　　從圖4、圖5和圖6中可以看出，回波損耗S11和隔離度的仿真結果和實(shí)測結果較為符合，而回波損耗S22的實(shí)測結果與仿真結果相差較大，不過(guò)其仿真結果和實(shí)測結果都已經(jīng)滿(mǎn)足北美應用的帶寬要求（902MHz-928MHz）。

　　天線(xiàn)的輻射方向圖如圖7所示。圖7中示出了915MHz時(shí)端口1和端口2的兩個(gè)主平面輻射方向圖，可以看出得到了很好的輻射特性，交叉極化值也很??；天線(xiàn)增益大約為7.5dBi；仿真的天線(xiàn)效率大約為90%。通過(guò)端口1和端口2激勵，可以得到雙極化。

　?。╝）端口1的x-z面

　?。╞）端口1的y-z面

　?。╟）端口2的x-z面

　?。╠）端口2的y-z面

　　圖7 端口1和2兩主平面的輻射方向圖

　　4 結論

　　在本文中，利用縫隙耦合實(shí)現天線(xiàn)饋電，得到雙極化的微帶天線(xiàn)?；诜抡娼Y果，我們加工了天線(xiàn)實(shí)物，并測試了天線(xiàn)。天線(xiàn)中心頻率為915MHz，帶寬在 VSWR=1.5時(shí)能夠覆蓋902MHz-928MHz頻段；同時(shí)天線(xiàn)在工作頻段內具有較高的隔離度、良好的增益特性和交叉極化特性。此天線(xiàn)適合于 RFID讀寫(xiě)器應用。