一款采用縫隙耦合饋電的2.45 GHz讀寫器圓極化微帶天線設(shè)計(jì)概述

微帶天線以其體積小、低剖面、易加工以及易與電路集成等諸多優(yōu)點(diǎn)在通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，高性能圓極化微帶天線的應(yīng)用愈加廣泛。

隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，對(duì)讀寫器天線，尤其是微帶天線的尺寸、性能有了更高的要求。因此，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)微帶天線的小型化、寬頻帶、高增益等技術(shù)做了廣泛而深入的研究。但是尺寸的過(guò)分縮減會(huì)引起天線其他性能的急劇劣化，其中對(duì)帶寬與增益的影響尤為明顯，因此各個(gè)參數(shù)與性能之間需折中考慮。

本文設(shè)計(jì)了一款采用縫隙耦合饋電的2.45 GHz讀寫器圓極化微帶天線，通過(guò)對(duì)貼片邊緣進(jìn)行開(kāi)槽，改善耦合縫隙，并融入高阻表面微波光子晶體結(jié)構(gòu)，最終使天線的帶寬、增益、尺寸等參數(shù)性能均有所改善。這是一款性能良好的天線。新穎的天線結(jié)構(gòu)及有效的設(shè)計(jì)思路對(duì)于讀寫器天線的設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)及高阻表面理論模型

微帶天線饋電除了微帶線饋電和同軸線饋電兩種基本方式外，還包括臨近耦合饋電、縫隙耦合饋電、共面波導(dǎo)饋電等一些新技術(shù)［1］。綜合比較，縫隙耦合饋電天線具有低剖面結(jié)構(gòu)，易與微波電路連接，容易調(diào)節(jié)阻抗匹配，而且容易得到大帶寬［2］，因此適用于高性能天線的設(shè)計(jì)。

高阻抗電磁表面是電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)的一種，由金屬和介質(zhì)材料組成，它不僅和其他類型（如介質(zhì)型和金屬型）EBG結(jié)構(gòu)一樣具有抑制表面波的作用，還能在一定的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)同相反射，可以代替金屬反射面作為天線的接地板，從而降低天線的輪廓［3］。圖1是一種最常見(jiàn)的高阻反射面。

高阻電磁表面由于單元尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，所以電磁特性可以采用集總電路組件——電容和電感來(lái)進(jìn)行描述。相鄰的金屬單元之間產(chǎn)生電容，連接它們的導(dǎo)電通路產(chǎn)生電感，其特性就如同并聯(lián)LC諧振電路。

根據(jù)等效表面阻抗模型，高阻表面單元的諧振頻率和帶寬為：

2 天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與性能分析

本文從縫隙耦合微帶天線理論模型出發(fā)，天線采用單個(gè)饋源激勵(lì)，調(diào)節(jié)阻抗匹配線接入饋線雙臂的位置，使饋線雙臂的長(zhǎng)度相差？姿/4，使兩個(gè)端口的激勵(lì)等幅而相位差為90°，從而實(shí)現(xiàn)圓極化?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要，通過(guò)調(diào)整阻抗匹配線的彎折方向?qū)崿F(xiàn)左旋或右旋圓極化，饋電方式簡(jiǎn)單有效。輻射層介質(zhì)為空氣，其介電常數(shù)低而厚度較大，在提高輻射特性的同時(shí)可展寬天線頻帶。饋線層介質(zhì)為聚乙烯，其介電常數(shù)較高而厚度較薄，在減小寄生輻射的同時(shí)可獲得良好的傳輸性能。

2.1 天線耦合縫隙設(shè)計(jì)

耦合縫隙的形狀及參數(shù)影響電磁耦合量，從而影響天線的帶寬。耦合量對(duì)諧振頻率影響很大，充分的耦合會(huì)顯著降低諧振頻率。因此，選擇合適的縫隙有利于天線的寬頻帶設(shè)計(jì)和小型化設(shè)計(jì)?？p隙的寬度對(duì)耦合量影響不是很大，相比較來(lái)說(shuō)縫隙的長(zhǎng)度對(duì)耦合量的影響比較大?？p隙太窄，導(dǎo)致耦合量不夠；縫隙太寬，又會(huì)影響方向圖的前后比從而減小輻射效率?？p隙長(zhǎng)度增長(zhǎng)，會(huì)使諧振頻率降低，諧振阻抗增加，這也說(shuō)明縫隙長(zhǎng)度越長(zhǎng)，貼片與饋線之間能量耦合能力越強(qiáng)。

結(jié)合常用的“工”型、“十”型、“H”型耦合縫隙的形式，本文設(shè)計(jì)了“國(guó)”字型耦合縫隙。“國(guó)”字型耦合縫隙結(jié)構(gòu)緊湊而且可調(diào)參數(shù)更多。外圍縫隙寬度較窄而內(nèi)側(cè)縫隙寬度較寬，所以耦合縫隙結(jié)構(gòu)緊湊但是又可以保證足夠的耦合量。因此在提高天線帶寬的情況下，有利于天線的小型化設(shè)計(jì)。

2.2 天線加載高阻表面的設(shè)計(jì)

為了提高天線的性能以及減小后向輻射，縫隙耦合微帶天線一般在天線下方放置金屬反射面，金屬反射面與天線之間需要保持？姿/4的高度，天線的剖面尺寸較大。在特定的頻段，高阻表面對(duì)于入射的平面電磁波具有同相反射的特性，天線和高阻表面之間的距離可以幾乎為零，因此應(yīng)用高阻表面是實(shí)現(xiàn)低剖面天線的一種極好的選擇。

實(shí)際應(yīng)用中，高阻表面必須有足夠的單元數(shù)，否則應(yīng)用效果不明顯［4］。如果在2.45 GHz頻段采用圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高阻表面，單元尺寸過(guò)大，在本文天線的饋線層大小的面積上，可容納的單元數(shù)不超過(guò)4個(gè)。因此，必須實(shí)現(xiàn)高阻表面的小型化設(shè)計(jì)。

從高阻表面等效電路模型來(lái)看，降低帶隙頻率可通過(guò)增大等效電感L和電容C來(lái)實(shí)現(xiàn)。電感由電磁表面的材料決定，當(dāng)制備材料確定后，電感就確定了。而影響電容的因素則很多，可以通過(guò)改變周期單元的結(jié)構(gòu)來(lái)改變電容的量值［5］。由此本文設(shè)計(jì)了開(kāi)縫嵌入式結(jié)構(gòu)，貼片單元分支線線寬和分支線間距均為0.4 mm，單元邊長(zhǎng)為13 mm，襯底材料為Rogers RO3210（tm），先后設(shè)計(jì)了L縫、F縫嵌入式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

參考文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)的交互嵌入式結(jié)構(gòu)（如圖2（a）所示）相比圖1所示結(jié)構(gòu)，可以形成更強(qiáng)的耦合電容，減小單元尺寸超過(guò)60％。但是隨著迭代次數(shù)的增加，減小單元尺寸效果微乎其微，沒(méi)有充分利用有限的貼片面積。研究發(fā)現(xiàn)，金屬貼片開(kāi)縫后，表面電流流經(jīng)的路徑變長(zhǎng)，貼片等效的電尺寸變大，從而增強(qiáng)了單元之間的耦合電容，因此開(kāi)縫結(jié)構(gòu)與交互嵌入式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路完全相同。在交互嵌入式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合開(kāi)縫技術(shù)可以更有效地減小單元尺寸，從而更有效地利用貼片面積。本文設(shè)計(jì)的F縫嵌入式結(jié)構(gòu)可減小單元尺寸超過(guò)70％，在實(shí)現(xiàn)高阻面小型化設(shè)計(jì)中效果顯著。

如圖3（a）所示，曲線1為未開(kāi)縫的嵌入式結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的反射相位曲線。在保持L型縫隙長(zhǎng)度及寬度不變的情況下，數(shù)字遞增的反射相位變化曲線，對(duì)應(yīng)著L型縫隙由靠近貼片中心到靠近貼片邊緣的變化過(guò)程。因此，為有效減小單元尺寸，L型縫隙可以開(kāi)在貼片最外側(cè)。F型縫隙由L型縫隙和直線型縫隙組成。保持L型縫隙開(kāi)在貼片外側(cè)，調(diào)節(jié)F型縫隙的直線縫位置，反射相位的影響如圖3（b）所示。直線縫越靠近貼片中心，對(duì)諧振頻率影響越大。F型縫隙可以有效利用單元的有效面積，最大限度地減小單元尺寸。其中，縫隙越寬、越長(zhǎng)，諧振頻率就越低，但是縫隙長(zhǎng)度對(duì)諧振頻率的影響最大。

采用圖2（c）所示的單元結(jié)構(gòu)組成高阻反射面，在饋線層大小的面積上，可容納的單元數(shù)為42個(gè)，添加高阻表面后，天線的仿真結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

添加高阻表面后，天線的增益增加了2.5 dBi，天線的后瓣減小了7.4 dB，但是天線的帶寬卻明顯減小。由于高阻表面是諧振式電磁帶隙結(jié)構(gòu)，所以高阻表面的同相反射的頻帶范圍較窄。尤其是高阻表面的單元尺寸的減小，導(dǎo)致了高阻表面帶隙寬度進(jìn)一步減小，因?yàn)樵诟纳茊卧叽绲倪^(guò)程中，利用單元形狀的變化來(lái)增大耦合電容，從而實(shí)現(xiàn)了小尺寸設(shè)計(jì)，但是電感量沒(méi)有變化。由公式（1）可知，尺寸減小的同時(shí)帶寬也在減小。因此天線的帶寬需要進(jìn)一步展寬。

2.3 天線頻帶展寬的設(shè)計(jì)

為了提高帶隙寬度，可以采用低介電常數(shù)基板、高磁導(dǎo)率基板和提高基板厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而采用低介電常數(shù)的基板和提高基板厚度不利于天線的小型化設(shè)計(jì)，并且只有特殊材料的磁導(dǎo)率大于1，實(shí)際的應(yīng)用受到限制。

在矩形貼片的適當(dāng)位置引入凹槽，改變貼片上的電流分布，天線可以獲得雙頻帶的特性。通過(guò)調(diào)整槽的尺寸，使兩個(gè)諧振頻率適當(dāng)接近，便形成頻帶大大展寬的雙峰諧振電路。貼片邊緣的電流分布密集，在邊緣開(kāi)槽，開(kāi)槽尺寸小而擴(kuò)展帶寬顯著。通過(guò)調(diào)整槽的尺寸，可以調(diào)節(jié)天線諧振參數(shù)。

3 天線設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖7所示。

仿真結(jié)構(gòu)中，高阻反射面緊貼饋線層放置，文中為了展示天線的結(jié)構(gòu)，高阻反射面才適當(dāng)下移一段高度。由圖8、圖9、圖10所示的仿真結(jié)果可以看出，開(kāi)槽前駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為300 MHz，開(kāi)槽后駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為570 MHz，開(kāi)槽后駐波在工作頻帶內(nèi)更加平坦，可見(jiàn)開(kāi)槽后天線帶寬得到很大提高。開(kāi)槽前、后天線增益變化不大，約為7.57 dBi。

開(kāi)槽貼片的同時(shí)應(yīng)用高阻面，天線增益增加了2.36 dBi，天線的后瓣減小了10.6 dB，天線諧振頻率略微有所升高。筆者實(shí)際制作了天線，高阻反射面緊貼饋線而放置，高阻面的介質(zhì)厚度為2 mm，因此剖面厚度為2 mm，與金屬反射面的？姿/4的剖面厚度相比，剖面尺寸相當(dāng)小。通過(guò)實(shí)測(cè)，天線駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為550 MHz，對(duì)實(shí)際標(biāo)簽的讀取距離略低于應(yīng)用金屬反射面的效果。分析發(fā)現(xiàn)，主要是實(shí)物高阻表面的帶寬不夠理想。因此，如何在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步提高高阻面的帶隙寬度是下一步研究的方向。綜合來(lái)看，本文在改善縫隙耦合饋電天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合高阻反射面，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶、高增益，從而實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)化的天線。

本文從縫隙耦合微帶天線的理論模型出發(fā)，通過(guò)改進(jìn)天線的結(jié)構(gòu)并引入高阻表面，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、寬頻帶和高增益，實(shí)現(xiàn)了一款性能優(yōu)越的2.45 GHz頻段RFID讀寫器的微帶天線。本文所提出的天線結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路對(duì)于讀寫器天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ TARGPMSLO S D， WATERHOUSE R B， POZAR D M. Design of wide-band aperture stacked patch microstrip antennas［J］。 IEEE Trans. on Antenna and Propagation，1998： AP-461:245-1251.

［2］ KOSSEL M， BEMEDOCLTER H， BAECHTOLD W. Circular polarized aperture coupled patch antennas for an RFID system in the 2.4 GHz ISM Band［J］。 0-7803-5454-0/99/1999 IEEE.

［3］ SIEVENPIPER D， ZHANG Li Jun， ROMULO F， et al. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band［J］。 IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. 1999，47（11）：2059-2074.

［4］ 付云起， 袁乃昌， 溫熙森。 微波光子晶體天線技術(shù)［M］。北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2006.

［5］ ABEDIN M F， ALI M. Effects of a smaller unit cell planar EBG structure on the mutual coupling of a printed dipole array［J］。 IEEE Antennas and Wireless Propagation Let-ters， 2005，4:274-276.

［6］ 閆敦豹。 人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究［D］。 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.