超高頻正交饋電RFID讀寫器天線設計與仿真

1、UHF RFID Reader Orthogonal Feeding Antenna Designand SimulationXin Zhang 1, Lei Li21)School of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin, Heilongjiang, China(zhangxin)2)School of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin,

2、Heilongjiang, China(leericky)AbstractIn this paper, a kind of UHF microstrip antennas using in RFID reader is proposed. To achieve good circular polarization(CP), branch coupler is used to feed the proposed antenna. But as the junction reactance effects, there is deviation between theoretical result

3、s and the actual simulation of branch coupler. This paper corrected this deviation by using the ADS softwares optimization function, and used branch line to match the ports between the branch coupler and the antenna. Simulation results showed that the antenna has a return loss S11 of about 22 dB, S1

4、2 of about 28 dB at 923MHz and good radiation characteristics over the required bandwidth, 920-925 MHz (Chinese UHF RFID band).Keywordsantenna, RFID reader antenna, orthogonal feeding, circular polarization超高頻正交饋電RFID讀寫器天線設計與仿真張昕1 李磊21)哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱，黑龍江，中國 2)哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱，黑龍江，中國摘 要 基于R

5、FID系統(tǒng)對天線的要求，設計出了一種用于RFID讀寫器的超高頻微帶天線。該天線采用較為直接的正交饋電法，利用支線耦合器給微帶天線饋電來激勵兩個振幅相等，相位差為90°的簡并模，從而實現(xiàn)天線的圓極化輻射。由于節(jié)點抗效應等原因，使支線耦合器的理論計算結果與實際仿真有偏差，該論文利用ADS軟件的優(yōu)化功能來修正偏差，并利用分支線匹配法實現(xiàn)支線耦合器與天線之間的端口匹配。經過仿真得出，在923MHz天線的回波損耗S11約為22 dB，S12約為28 dB，同時在920-925 MHz頻率范圍也得到了較好的天線輻射特性。關鍵詞 天線，RFID讀寫器天線，正交饋電，圓極化1引言射頻識別（Radio

6、 Frequency Identity，RFID）技術是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的并交換數(shù)據(jù)的自動識別技術1。在RFID系統(tǒng)中，天線在實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起重要作用，因此天線性能的好壞很大程微帶天線作為一維小度上影響著整個RFID系統(tǒng)的性能2。型化天線，以其眾所周知的低剖面、重量輕、制造成本低等頗具特色的優(yōu)點，近年來在RFID天線開發(fā)應用中獨占特別是高性能圓極化微帶天線在當前的應用愈加鰲頭36，廣泛。雙饋點正交饋電是實現(xiàn)圓極化最直接的方式，此方法利用兩個饋電點來激勵兩個極化正交的簡并模，并由饋電網(wǎng)絡來實現(xiàn)兩個簡并模振幅相等，相位差為90°，以滿足微帶天線圓極化條

7、件7。作為在微波集成電路中有廣泛應用的支線耦合器，尤其是可使功率等分相位相差90°的3 dB耦合器，不僅結構簡單，而且容易制作89，適用于雙饋點微帶天線的饋電來實現(xiàn)圓極化。本文根據(jù)我國UHF頻段射頻識別技術應用標準，設計仿真了一種正交饋電圓極化微帶天線，工作頻率在920925 MHz之間，該天線利用3 dB支線耦合器作為饋電網(wǎng)絡來使兩個簡并模振幅相等，相位差為90°，達到了較好的圓極化性能，很好的滿足了RFID系統(tǒng)對天線的要求。8-1-4244-9945-8/10/$26.00 ©2010 IEEE PACIIA2010592支線耦合器的分析與設計支線耦合器由兩根

8、平行傳輸線組成，通過一些分支線實現(xiàn)耦合。支線耦合器的典型結構如圖1所示。在中心頻率上分支線和傳輸線的長度都應為四分之一波長，但是由因此，于同一頻率下微帶線的導引波長g隨阻抗不同而異，對介電常數(shù)為r =4.2，磁導率Mur=1，厚度H=1.5 mm，金屬層電導率cond=5.88e+7，厚度T=0.017 mm，損耗正切tan D=0.003，表面粗糙度Rough=0。利用ADS的微帶計算工具LineCalc計算得到主線長度L1=44.46 mm，寬度W1=4.97 mm，分支線長度L2=45.55 mm，寬度W2=2.92 mm。根據(jù)計算結果構建原理圖，如圖2所示。一般情況下圖1中的g1/4

9、g2/4，阻抗越高長度越長。理論上，若支線耦合器的各端口接匹配負載，信號由端口1輸入，則在中心頻率上端口2（隔離端）將無輸出，端口3和端口4輸出相位相差90°，輸出功率由主線和分支線的阻抗大小決定。A4圖1 支線耦合器設分支線歸一化特性導納為G，傳輸線歸一化特性導納為H，利用奇、偶模激勵法計算得G=1，H是3 dB支線耦合器各臂歸一化導納值。由此可知，當3 dB耦合時，二分支線的寬度與輸入臂相同，而中間連接段寬度增大，其歸一化特性阻抗為在上述計算結果中，假定分支線和主線是理想并聯(lián)的，而實際上在它們的連接處的T型接頭具有結電抗效應，即對T型接頭的主線和分支線的三個特定參考面來說，接頭本

10、身可表示為一個電抗性的三口網(wǎng)絡。從等效電路來看，其中包含一些串聯(lián)電抗、并聯(lián)電納或理想變壓器等元件。因此，考慮結電抗效應后的耦合器特性參量和理想情況相比有一定的差異，其主要表現(xiàn)為頻率的偏移。在實際的設計中，可通過適當選取分支線和連接線的長度及調整線的特性阻抗等方法修正結電抗帶來的誤差。根據(jù)要求的技術指標，為實現(xiàn)微帶天線的圓極化，需設計一個中心頻率約為922 MHz，帶寬為5 MHz的3 dB二分支支線耦合器給天線饋電。本設計利用基于矩量法的ADS(Advanced Design System)軟件進行支線耦合器的設計、仿真和優(yōu)化10。由前面分析可知3 dB支線耦合器各臂歸一化導納值為G=1，HZ

11、0=50 時可推得耦合器主線特性阻抗Z01=50 ，分支線特性阻抗Z02=35.4 。設置微帶線參數(shù)：基板材料采用環(huán)氧基樹脂，它的相60圖2 3 dB支線耦合器原理圖利用ADS進行仿真，結果如圖3所示。(a) 端口1的反射系數(shù)(b) 端口1到端口2的傳輸系數(shù)(c) 端口1到端口3的傳輸系數(shù)(d) 端口1到端口4的傳輸系數(shù)圖3 原始尺寸仿真結果(c) 端口1到端口3的傳輸系數(shù)由圖3可見，端口1到端口3以及端口1到端口4都有3 dB左右的衰減，端口1與端口2之間也有較好的隔離度，但是由于結電抗效應，使支線耦合器的中心頻率與預期有一定的偏離，因而需要修正。利用ADS的優(yōu)化功能，對主線長度L1、主線寬

12、度W1、分支線長度L2和分支線寬度W2進行優(yōu)化，使支線耦合器性能滿足要求。優(yōu)化后得到支線耦合器主線長度L1=44.49 mm，寬度W1=4.89 mm，分支線長度L2=41.48 mm，寬度W2=2.84 mm。優(yōu)化后原理圖的仿真結果如圖4所示。(d) 端口1到端口4的傳輸系數(shù)(e) 端口1到端口3的相位變化(a) 端口1的反射系數(shù)(f) 端口1到端口4的相位變化 圖4 優(yōu)化后的原理圖仿真結果(b) 端口1到端口2的傳輸系數(shù)將原理圖生成版圖，再進行版圖仿真。由于版圖仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，因此所得結果比原理圖準確。仿真結果如圖5所示。61(a) 端口1的反射系數(shù)(b) 端口1到端

13、口2的傳輸系數(shù)(c) 端口1到端口3的傳輸系數(shù)(d) 端口1到端口4的傳輸系數(shù)(e) 端口1到端口3的相位變化(f) 端口1到端口4的相位變化 圖5 優(yōu)化后的版圖仿真結果 由圖5可見，優(yōu)化后的3dB支線耦合器中心頻率約為922 MHz，在要求的920 MHz925 MHz頻帶內，S11低于-40 dB，S12低于-45 dB，說明耦合器有很好的端口反射系數(shù)和隔離度。S31、S41均約為-3 dB，說明端口3、4輸出功率大致相等，且由圖5 (e)、(f)可見，兩端口相位相差約90°，結果較為理想，滿足設計要求。 3矩形微帶天線的設計 根據(jù)技術指標需要設計一矩形微帶天線。首先選取基板材料

14、，因基板材料的r和tanD直接影響著微帶天線的性能，此外由VSWR2的頻帶寬度經驗公式 f(MHZ)=5.04f2h (1) 可知，基板厚度與頻帶寬度成正比。根據(jù)上述條件，選取環(huán)氧基樹脂作為基板材料，其相對介電常數(shù)為r=4.2，磁導率Mur=1，厚度h=1.5 mm。 根據(jù)傳輸線理論，矩形微帶貼片天線可以看成是一段寬為W、長為L的傳輸線，矩形微帶天線的輻射主要由沿W邊的縫隙產生。選取較大的微帶天線寬度W對頻帶寬度、輻射效率和阻抗匹配都有好處。但為了防止高次模產生場的畸變，寬度W不能超過62W=cr+12fr212(2)由圖6可見，按照理論公式計算出的天線中心頻率比預期小，所以設計天線時，需要適

15、當減小理論計算出的天線尺寸，以增大天線中心頻率。而且天線反射系數(shù)較大且?guī)捿^窄，不滿足設計要求，需要進行優(yōu)化和端口阻抗匹配。根據(jù)式(1)可知，增加基板厚度能夠增大微帶天線帶寬，但是基板受激勵可能導引表面波，基板電厚度越大，表面波的激勵現(xiàn)象越明顯。經過多次試驗，選取基板厚度h=8 mm。重新計算天線尺寸，并利用分支線匹配法進行端口阻抗匹配，電路如圖7所示。矩形微帶天線的長度L在理論上近似為0.5g，但工程上由于邊緣場的影響，L一般應取為L=0.5g2L(3)g=，0為空氣中的波長(e+0.3)W+0.264L (4) =0.412Wh(e0.258)+0.8()e經驗公式為e=(r+1)(r1)

16、2+210h1+ (5) W12按照要求的技術指標，可求得微帶天線尺寸為WL=79.2 mm。天線采用側饋電方式，饋電微帶線寬度為5 mm。求得天線和基板的參數(shù)后，利用ADS進行計算仿真，結果如圖6所示。圖7 端口匹配電路經過優(yōu)化和匹配后，得到天線尺寸W=L=76.8 mm，串聯(lián)微帶線長度為48.5 mm，并聯(lián)微帶線長度為33.6 mm。天線結構如圖8所示其版圖仿真結果如圖9所示。(a) 端口1的反射系數(shù)圖8 天線結構(b) 端口1到端口2的傳輸系數(shù) 圖6 雙饋微帶天線仿真結果63(a) 端口1反射系數(shù)(b) 端口1到端口2傳輸系數(shù)(c) 軸比(d) 左右圓極化波幅度(e) 增益(f) 效率

17、圖9 優(yōu)化后的天線仿真結果 由圖9(a)(b)可見，優(yōu)化后的天線在工作頻帶內反射系數(shù)小于-15 dB，且端口之間有較好的隔離度，滿足RFID系統(tǒng)的要求。由圖9(d) (e)可見，天線在-43°47°之間軸比小于3 dB，且左旋圓極化波大于右旋圓極化波20 dB以上，說明該天線為左旋圓極化天線。圖9(f)(g)表明，天線增益為11.2 dBi，效率約為85%。綜上所述，該天線性能較好地滿足了預期技術指標，達到了RFID系統(tǒng)的要求。 4結 論 在理論計算的基礎上，設計仿真了一個正交饋電的超高頻RFID讀寫器天線。根據(jù)支線耦合器理論計算的尺寸，由于結電抗效應等原因，性能與要求有一

18、定偏差，通過對支線耦合器的主線、分支線長度和寬度的調節(jié)，優(yōu)化了支線耦合器的性能，使其達到為雙饋矩形微帶天線饋電的要求。設計和優(yōu)化了一個雙饋矩形微帶天線，并利用ADS完成了端口的阻抗匹配。最后經仿真天線性能良好，滿足RFID系統(tǒng)的要求。為今后的RFID讀寫器天線設計打下良好基礎，具有重要的現(xiàn)實意義。參考文獻1 周曉光,王曉華.射頻識別(RFID)技術原理與應用實例. 北京:人民郵電出版社, 2006: 39-41.642 Finkenzeller Klaus. 射頻識別技術.吳曉峰, 陳大才,譯. 3版.北京: 電子工業(yè)出版社,2006: 5-6.3 Kim S C, Park H, Lee D

19、, A novel design of an UHF RFIDreader antenna for PDA, Microwave Conference. APMC. Yokohama, 2006: 1471-1473.4 Ukkonen L, Sydanheimo L, Kivikoski M. Read rangeperformance comparison of compact reader antennas for a handheld UHF RFID reader, RFID IEEE International Conference. Grapevine, TX, 2007: 63

20、 70.5 Aerts W, De Mulder E, Preneel B. Dependence of RFID readerantenna design on read out distance. Antennas and Propagation, 2008, 56(12): 3829 - 3837.6 Karmakar, N.C Roy, Ikram S M. Development of smart antennafor RFID reader, RFID. IEEE International Conference. Las Vegas, NV, 2008: 65 - 73.7 朱莉

21、, 高向軍, 梁建剛. 寬帶圓極化微帶天線的幾種實現(xiàn)方法.現(xiàn)代電子技術, 2007, 23(262):82-84.8 李緒益.微波技術與微波電路. 廣州: 華南理工大學出版社,2007.9 Bahl Inder, Bhartia Prakash. 微波固態(tài)電路設計. 鄭新, 趙玉潔, 劉永寧, 等, 譯.2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006: 160-165.10 陳艷華, 李朝暉, 夏瑋.ADS應用詳解. 北京: 人民郵電出版社, 2008.for RFID reader, RFID. IEEE International Conference. Las Vegas, NV, 2008

22、: 65 - 73.7 Li Zhu, Xiangjun Gao, Jiangang Liang. Realization Methodabout Wideband of Circular Polarization Microstrip Antenna. Modern Electronics Technique, 2007, 23(262):82-84.8 Xuyi Li. Microwave Technology and Circuits. Guangzhou:South China University of Technology Press, 2007.9 Bahl Inder, Bhartia Prakash. Microwave Solid State CircuitDesign. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006: 160-165.10 Yanhua Chen, Zhaohui Li, Wei Xia. Detailed ADS Application.Beijing: Post and Telecom Press, 2008.References