RFID 2.4GHz天線(xiàn)設計

引言

RFID技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，可達到識別并交換數據的目的。與磁卡和IC卡等接觸式識別技術(shù)不同，RFID系統的電子標簽和讀寫(xiě)器之間無(wú)需物理接觸就可完成識別，屬于非接觸識別。RFID技術(shù)具有一些獨特的優(yōu)點(diǎn)，它可更廣泛地應用于交通運輸、醫療和防偽等領(lǐng)域中。

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鐵道部已投入大量資金用于建立全路車(chē)號自動(dòng)識別系統的工程建設中，目標是在所有機車(chē)上安裝電子標簽，在所有區段站、編組站、大型貨運站安置地面讀寫(xiě)裝置，對運行的列車(chē)以及車(chē)輛信息進(jìn)行準確的識別。鐵路射頻車(chē)號自動(dòng)識別系統已經(jīng)成為鐵路信息化建設的一個(gè)重要組成部分。TKCG-08RFID列車(chē)自動(dòng)識別系統正是在這一背景下進(jìn)行研發(fā)的，它利用微波射頻通信技術(shù)，實(shí)現了列車(chē)車(chē)號的自動(dòng)識別。其數據通信方案如圖1所示。

　　數據傳輸是RFID系統運行的一個(gè)重要環(huán)節。射頻信號通過(guò)閱讀器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現數據傳遞，因此，天線(xiàn)在整個(gè)RFID系統中扮演著(zhù)重要角色，一方面天線(xiàn)的好壞決定了系統的通信質(zhì)量，另一方面天線(xiàn)決定了系統的通信距離。

根據工作頻段不同，在RFID產(chǎn)品中使用不同類(lèi)型的天線(xiàn)，可選擇的天線(xiàn)種類(lèi)很多。在選擇的時(shí)候，天線(xiàn)大小、成本、性能都是非常重要的因素。三種最常見(jiàn)的短距天線(xiàn)設備是PCB微帶天線(xiàn)、芯片天線(xiàn)和有一個(gè)連接器的鞭狀天線(xiàn)。TKCG-08地鐵列車(chē)識別系統應用主要是將閱讀器安裝在線(xiàn)路軌道中間，射頻卡安裝在車(chē)體下部中央相應的位置，如圖2所示。當列車(chē)以一定速度通過(guò)閱讀器時(shí)，閱讀器識別出射頻卡相應的卡號，進(jìn)而得到列車(chē)車(chē)號信息。由于射頻卡體積有限，而且需要控制成本，微帶天線(xiàn)具有低成本、高性能、小尺寸等優(yōu)勢，因此選擇微帶天線(xiàn)作為本系統使用的天線(xiàn)形式。

　　微帶天線(xiàn)

微帶天線(xiàn)是在帶有導體接地板的介質(zhì)基片上貼加導體薄片而形成的天線(xiàn)。它利用微帶線(xiàn)、同軸線(xiàn)等饋線(xiàn)饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場(chǎng)，并通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射，因此微帶天線(xiàn)可看作是一種縫隙天線(xiàn)，如圖3所示。和常用的微波天線(xiàn)相比，它有如下一些優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低，饋電網(wǎng)絡(luò )可與天線(xiàn)結構一起制成，適用于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn)，能與有源器件和電路集成為單一的模件，容易獲得圓極化，容易實(shí)現雙頻、多頻段工作等。

　　根據天線(xiàn)輻射特性的需要，可以設計貼片導體為各種形狀。通常貼片天線(xiàn)的輻射導體與金屬底板距離為幾十分之一波長(cháng)。假設輻射電場(chǎng)沿導體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒(méi)有變化，僅沿約為半波長(cháng)的導體長(cháng)度方向變化，則微帶貼片天線(xiàn)的輻射基本上是由貼片導體開(kāi)路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的，輻射方向基本確定。

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?；诖诵⌒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。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)易方法，所以一般采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電。

微帶天線(xiàn)設計

根據微帶天線(xiàn)理論，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著(zhù)微帶天線(xiàn)的方向性函數、輻射電阻以及輸入阻抗?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模，通常要求寬度W滿(mǎn)足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分別是天線(xiàn)的高度和寬度。但在實(shí)際設計時(shí)應考慮邊緣場(chǎng)的影響，要對L值進(jìn)行修正，因此L由公式(4)決定：

　　因為電場(chǎng)沿 L方向非均勻分布，故可通過(guò)改變同軸饋點(diǎn)在 L方向上的位置來(lái)改變饋電點(diǎn)的阻抗大小，達到信號的匹配狀態(tài)。饋電點(diǎn)位置的導納如公式(6)所示：

　　式中Z0是把天線(xiàn)視為傳輸線(xiàn)時(shí)的特性阻抗;Y0是其對應的導納;ZW是壁阻抗;β是介質(zhì)中的相位常數; L1、 L2為饋點(diǎn)沿 L 方向分別到輻射電極邊沿的距離。通過(guò)改變L1、 L2的大小可以使輸入阻抗滿(mǎn)足阻抗匹配的要求。

　　設計中還要考慮到輻射電極的長(cháng)和寬L、W要滿(mǎn)足矩形貼片天線(xiàn)圓極化工作必要條件，即：

　　式中Qr，Qd，Qe，分別對應輻射，介質(zhì)和導體損耗的Q值。

　　我們在設計時(shí)，考慮到微帶天線(xiàn)應用在手持擴頻通信設備中，要求天線(xiàn)具有剖面薄、體積輕、小型化的特點(diǎn)。根據上述公式計算出天線(xiàn)的實(shí)際尺寸，然后在A(yíng)GILENT公司的電路和系統分析軟件ADS上建模，仿真優(yōu)化，得到圖4所示的天線(xiàn)模型。該天線(xiàn)工作頻率為2.4GHZ，尺寸為10MM×7.88mm，天線(xiàn)固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4，相對介電常數為4.4，基板厚度為1.2mm。對貼片天線(xiàn)進(jìn)行單點(diǎn)直接饋電，饋電點(diǎn)到貼片中心的距離為4.2mm，保證了天線(xiàn)體積的小型化。在饋線(xiàn)末端開(kāi)出一個(gè)0.38mm的接地孔，以便和接地層相連。Length的長(cháng)度與板厚有關(guān)系，板厚1.2mm，對應的Length長(cháng)度為3.175mm。一體式結構適合大規模的生產(chǎn)和調試，并且堅固抗折，適合在卡狀設備中使用。

　　為了優(yōu)化射頻卡天線(xiàn)的傳輸性能，天線(xiàn)的輻射電阻必須適應射頻電路的阻抗特性。阻抗匹配是指在天線(xiàn)能量傳輸時(shí)，要求負載阻抗要和傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì )產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之則在傳輸中有能量損失。在設計天線(xiàn)時(shí)，為了防止信號的反射，要求線(xiàn)路的阻抗為50歐姆。通過(guò)ADS的仿真分析后得到50歐的微帶參數為：銅箔厚度為0.7mil，基片厚度為10mil，導線(xiàn)寬度為20mil，導線(xiàn)距地平面的距離為31mil。

仿真結果與整版測試

應用ADS的高頻信號仿真對天線(xiàn)進(jìn)行仿真，仿真結果如圖5所示。

　　從仿真圖 5的(a)(b)(c)中可以看出天線(xiàn)工作在頻率為2.44GHz的時(shí)候,天線(xiàn)輻射特性良好，主輻射方向垂直于天線(xiàn)表面。由于微帶天線(xiàn)尺寸和接地板尺寸都比較小，把天線(xiàn)放在一個(gè)常見(jiàn)的周?chē)h(huán)境中進(jìn)行操作的時(shí)候要進(jìn)行一些調整[5]。圖(d)顯示三個(gè)遠程控制2.4GHZ天線(xiàn)的反射測試方法的結果。紅線(xiàn)表示天線(xiàn)放在周?chē)鷽](méi)有障礙物的自由空間里面的反射結果。把天線(xiàn)放在塑料障礙物里，通過(guò)降低回聲頻率來(lái)影響性能，對性能的影響更加明顯。在設計的過(guò)程中應重點(diǎn)考慮這一因素并加以調整。在實(shí)際應用中，在天線(xiàn)前端加上功率放大器和濾波器，能有效的增大天線(xiàn)發(fā)射功率，進(jìn)而提高射頻卡的整體性能。使用頻譜儀對發(fā)射功率進(jìn)行測試，結果顯示發(fā)射功率達到了預期的指標(不小于20 dBm)，發(fā)射功率測試結果及射頻卡樣機實(shí)物如圖6所示。

　　結語(yǔ)

天線(xiàn)的小型化適應未來(lái)通信的發(fā)展趨勢，如何兼顧增益和頻帶是實(shí)現小型化必須要考慮的問(wèn)題。本文所設計的微帶天線(xiàn)，具有體積小、重量輕、成本低、輻射效果好等優(yōu)點(diǎn)。室內和現場(chǎng)測試表明：該微帶天線(xiàn)性能穩定，可以滿(mǎn)足TKCG-08地鐵列車(chē)自動(dòng)識別系統指標要求，同時(shí)對于其他射頻卡板載微帶天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)設計也具有一定參考意義。