基于RFID的小型圓極化天線的研究

1 具體設(shè)計(jì)方案的分析及選擇
微帶天線利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線良好匹配，且體積小剖面低、電性能優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)了一維小型化?；诖思靶⌒突炀€采用微帶天線形式。而微帶天線實(shí)現(xiàn)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(dú)立的3 dBi耦合器，形式復(fù)雜且對(duì)隔離端口隔離度要求很高，暫不考慮；縫隙耦合法在設(shè)計(jì)小尺寸天線時(shí)增益很難到達(dá)6 dBi的設(shè)計(jì)要求；探針饋電難以兼顧駐波比、軸比、增益同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)。直接饋電的單饋點(diǎn)法不需設(shè)計(jì)任何復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，是實(shí)現(xiàn)圓極化的簡單易行的方法，所以采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電。基于空腔模型理論設(shè)計(jì)在方形貼片上通過切角引入幾何微擾，即附加簡并模分離單元，使簡并正交模的諧振頻率產(chǎn)生分離。方形切角天線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，隨著饋線和貼片接觸點(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。但由于微帶天線諧振腔內(nèi)高Q值諧振特性導(dǎo)致窄頻帶特性。天線采用
增大基片厚度和降低基片相對(duì)介電常數(shù)來降低Q值?；殡姵?shù)越低、厚度越厚，其Q值越小則帶寬越大。但基片過厚，基片厚度和波長之比過大會(huì)加大表面波輻射損耗，引起表面波的明顯激勵(lì)以致輻射效率降低，厚度的增加只能在保證表面波激勵(lì)最小的條件范圍內(nèi)增加。所以設(shè)計(jì)此時(shí)沒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?shù)為1，小于FR4的介電常數(shù)，從而使等效相對(duì)介電常數(shù)減小。這樣既降低了介電常數(shù)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，這是本天線的一大創(chuàng)新點(diǎn)，即可通過調(diào)整挖孔大小來方便的調(diào)節(jié)介電常數(shù)，使介質(zhì)等效介電常數(shù)在1~4．4范圍內(nèi)變化，等效介電常數(shù)由FR4的體積與圓孔體積的比例大小決定。通過某種形式的電抗加載可增加系統(tǒng)帶寬，運(yùn)用此概念用寄生加載來增加帶寬。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(shè)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增加帶寬。文中還采用加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來展寬帶寬。匹配網(wǎng)絡(luò)采用與微帶饋線先串聯(lián)電容，再引入一塊銅片與殼體形成結(jié)構(gòu)電容，焊接在微帶上，相當(dāng)于并聯(lián)一定值電容，可通過調(diào)節(jié)銅片位置及大小進(jìn)行匹配以達(dá)到駐波和帶寬要求。結(jié)構(gòu)電容的引入是本天線另一創(chuàng)新點(diǎn)，解決了一般閱讀器天線不好加載匹配的問題，通過調(diào)節(jié)銅片面積及與殼體距離可方便調(diào)節(jié)并聯(lián)電容大小。展寬帶寬及低介電常數(shù)可增強(qiáng)產(chǎn)生輻射的邊緣場，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(shù)為4．4，損耗角為0．02，滿足低損耗低介電常數(shù)的特點(diǎn)。且采用填充FR4介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)小型化。主輻射面邊長

諧振頻率給定時(shí)尺寸與成反比，介電常數(shù)增大，天線尺寸將減小。采用填充介質(zhì)RF4后比沒填充介質(zhì)前體積減小近一半以實(shí)現(xiàn)小型化。綜上所述得出設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)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L及介質(zhì)板上圓孔半徑r

根據(jù)式(1)可算出主輻射面邊長大概值為78 mm，由于寄生單元的加載所需輻射面邊長78 mm，以此值為基點(diǎn)利用HFSS來仿真優(yōu)化。表l是仿真結(jié)果，可得切角對(duì)增益影響不大而連同L與r對(duì)軸比有顯著影響。輻射面和孔半徑一定隨著切角增大軸比先是減小，但當(dāng)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(nèi)可優(yōu)化軸比。而僅單一調(diào)節(jié)切角大小來改善軸比不能達(dá)到3 dB的目標(biāo)，要結(jié)合調(diào)節(jié)輻射面和孔的大小來優(yōu)化軸比。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)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°的簡并模，即L與切角滿足關(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不滿足上述關(guān)系時(shí)會(huì)導(dǎo)致兩簡并模之間的相位差大于或90°導(dǎo)致軸比變差。而增益受L與r共同影響，單一增大L對(duì)改善增益是沒有效果的。L與r要滿足一定關(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(shù)在1～4．4范圍內(nèi)變化，調(diào)節(jié)r就可方便容易的調(diào)節(jié)等效介電常數(shù)。半徑越大，介質(zhì)板中空氣的比例越大，等效介電常數(shù)就越小。而等效介電常數(shù)與￡要滿足關(guān)系式(1)，所以在調(diào)節(jié)r的同時(shí)也要調(diào)節(jié)L，而一般L越大增益就會(huì)越大。但要在滿足上述關(guān)系下增大和調(diào)節(jié)L，因?yàn)檩椛涿?、介質(zhì)板和地平面等效為一段長為L的低阻抗微帶傳輸線，在傳輸線兩端斷開形成開路。兩開路端電場可分解為相對(duì)于接地板的垂直和水平分量。兩個(gè)垂直分量電場相反，水平分量電場方向相同。在垂直于接地板方向，兩水平分量電場產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同相疊加，形成了最大輻射方向。如果L與r(即)不滿足關(guān)系式會(huì)影響電場方向，不能使兩水平分量電場達(dá)到最大同相疊加從而導(dǎo)致增益減小。還發(fā)現(xiàn)切角深度的加深使諧振頻率向右稍微偏移。因?yàn)殡S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)
為使天線的負(fù)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(yán)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(duì)天線的增益和軸比有重要影響。本天線采用串并聯(lián)結(jié)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(qū)，所以進(jìn)行串并聯(lián)電容來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(duì)阻抗改變幾乎沒有影響，如果電容再增大就相當(dāng)于短路。而在適當(dāng)范圍內(nèi)隨著串聯(lián)電容的增大，阻抗點(diǎn)位置沿等電阻圓順時(shí)針移動(dòng)。本天線的創(chuàng)新點(diǎn)在于作為結(jié)構(gòu)電容的銅片，與殼體形成平板電容，相當(dāng)于與微帶并聯(lián)電容，形成的平板電容器電容