一种用于RFID系统的双频微带天线的设计

分享到:

引 言

         射频识别(Radio Frequency Indentification)是一种通过无线射频方式进行非接触的双向数据通信,对目标加以识别并获取相关数据的自动识别技术。现在RFID已经渗透到人们日常生活的各个领域,成为一种常见的技术,其应用包括物流、资产管理、人员门禁等。RFID系统的基本组成包括读写器和电子标签两部分。读写器天线和电子标签天线是实现读写器与电子标签通信的空间物理接口。工作频率是RFID系统最重要的性能参数,中国公布的UHF频段中RFID频率范围为 840~845 MHz和920~925 MHz两个频段。

        微带天线以其剖面薄、体积小、成本低等优点而被广泛应用于无线通信系统。为满足读写器天线工作于840~845 MHz和920~925 MHz两个频段的要求,如果直接采用微带天线设计,则存在着天线的频带比较窄,不能满足两个频段要求的缺点。一种新的设计思路是设计一款双频带微带天线,使其两个频带分别覆盖840~845 MHz和920~925 MHz两个频段。这样做的好处是既满足了双频段的要求,又在一定程度上过滤了两频段间的干扰和噪声进入读写器的接收系统。

        这里采用多谐振的方法,通过微带天线的结构设计,实现了双频段的覆盖。在这种思路下,采用E形天线与倒F天线(IFA)相结合的设计,实现了一种低后瓣双频微带天线。天线谐振在850 MHz和920 MHz处,VSWR=1.09,带宽(VSWR<2)满足频段覆盖的要求。该天线制作在2 mm厚的FR4基板上,不仅具有小的尺寸,而且便于调协,易于制作。

1 倒F形线和E形天线

1.1 倒F形天线简介

        典型的倒F天线(IFA)是由一个放在地面上的矩形平面单元,一个与地平行的短路面或者短路针和一个馈电单元构成的,如图1所示。IFA本质上是一个偶极子的变形,通过将偶极子的上面部分向下弯折到与地面平行,这样可以减小天线的高度,但是与地面平行的部分却对天线引入了容抗。因此,在天线结构中引入感性的短路面或者短路针来补偿这部分容性是必要的。IFA天线的地面具有重要作用,因为当IFA贴片具有电流时,将引起地面电流的激励,最终的场是由IFA贴片电流和它在地面的镜像电流共同形成的。这就是IFA天线的工作原理。

 

由长为L的终端开路线和长为S的终端短路线并联而成的共面倒F形天线(PIFA),其结构如图2所示。传输线的线宽d《H时,传输线的阻抗Z0可以表示为:

式(1)中:ξ=120π为空气中波阻抗。根据传输线理论,输入阻抗为:

 

式(2)中:β为传播常数。根据式(2)可以分别计算对于长为L的终端开路线和长为S的终端短路线的电抗,分别为:

当忽略损耗时,天线的输入电阻即为辐射电阻。根据文献[8],则有:

当长度L=λ/4时,由式(6)可以得到天线的输入电抗为0,天线处于谐振状态,此时:

        从式(7)可以看到,天线的输入阻抗为纯电阻,且仅仅与天线的高度H有关。从以上的推导可以看到,对于IPFA的调节,可以通过调整长度L来调节天线的输入阻抗,使之呈纯电阻;之后可以通过调节天线的高度H来改变天线的输入阻抗,使之与50 Ω同轴线的馈线相匹配。

1.2 E形天线

        E形天线是在普通微带贴片单元的基础上开了二个平行槽而形成的。槽的位置以馈电点对称。通过调整槽的位置、长度和宽度,可以有效地提高微带天线的带宽。根据文献[8],普通的微带贴片天线可以等效为一个简单的LC谐振回路,L和C的值由电流在导体表面流经的长度决定,而E形微带天线由于开槽而使天线从一个单谐振的LC回路变成双谐振LC回路。这两个谐振回路耦合在一起,即可实现频带的展宽。

2 天线设计与仿真

        根据以上原理,这里将E形天线与IFA天线相结合实现了双频微带天线,如图3所示。根据文献[9,10],有:

式中:W为天线的宽度;c为光速;f为工作频率;εr为介质相对介电常数。

 

天线的长度一般参照λg/2取值,λg为介质中的波长,有:

谐振单元的长度为:

 

式(10)中,有效介电常数和△L可以根据以下公式计算:

式中:εe为有效介电常数;h为介质基板厚度。
        根据式(8)~(12)可以估算出天线的尺寸W和L。然后,在基于FDTD的.Ansoft HFSS 10.0上建模,仿真优化,得到图3所示的天线模型。仿真结果如图4所示。天线的结构参数如表1所示。

 

        从图3可以看到,该微带天线是由E形天线与共面IFA共同构成的,天线印刷在厚度为2 mm,相对介电常数为4.6的FR4基板上,天线引入了感性短路针来抵消容性。在调试中发现天线的性能对以下参数特别敏感:槽的宽度对第二谐振点影响比较大,其影响主要体现在谐振深度上,而不产生频偏;短路针的位置对第一谐振点影响比较大,其影响主要体现在谐振深度上,而不产生频偏;槽之间的距离越近,谐振频率越大,而对谐振深度的影响却甚微。

        从图4(a)可以看到,天线谐振在850 MHz,920 MHz。谐振点处VSWR=1.09,带宽(VSWR<2)840~860 MHz和910~930 MHz,完全满足UHF中国频段的要求。从图4(b)~(e)的方向图可以看到,无论是在850 MHz还是在920 MHz,天线的后瓣均比较小,从而实现了该天线高的前后抑制比。

3 结 语

       在此针对UHF频段RFID读写器天线兼容840~845 MHz和920~925 MHz双频段的要求设计了一款新颖的双频微带天线。仿真和测试结果表明,这种天线谐振在850 MHz和920 MHz两个频点,两个谐振点处带宽(VSWR<2)满足覆盖840~845 MHz和920~925 MHz双频段的要求,且具有较低的后瓣。





继续阅读
无线通信可不止WiFi

自进入21世纪以来,通信行业取得了飞速发展。人们对大带宽、高速率、低时延通信网络的期待值越来越高。以视频、音频、图像为主流的多媒体形式内容逐渐成为了流媒体的主要部分,频谱资源和通信容量之间的矛盾日益凸显。由于频谱资源有限,以及通信建设成本方面的限制,低成本的短距离无线通信技术逐渐在一些场景应用上凸显出自身优势,以蓝牙、Zigbee、RFID为代表的短距离无线通信技术应运而生,并得到了广泛的市场化应用。

车联网,噱头还是未来?

2010年,“车联网”悄然进入词条搜索,出现到大众视野,成为红极一时的“热门词汇”。人们都在畅想未来的车联网时代,更是有不少厂商开始勾画车联网蓝图,然而车联网似乎只是停留在了“热门词汇”上。几年过去了,有关车联网的新闻层出不穷,只要稍微有点动态就会有“车联网时代即将到来”的呼声,然而离我们的生活仍旧那么遥远!到底什么是车联网?车联网只是个噱头?车联网会给我们的生活带来什么样的变化?

RFID在生活中的十大应用

RFID技术在现实中离我们并不遥远,目前主要的应用小智君概括了十类,分别是:

RFID读写器天线设计

电子标签天线的设计目标是传输最大的能量进出标签芯片,这需要仔细设计天线和自由空间的匹配,以及天线与标签芯片的匹配。当工作频率增加到微波波段,天线与电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来,电子标签天线的开发是基于50 或者75 输入阻抗,而在RFID应用中,芯片的输入阻抗可能是任意值,并且很难在工作状态下准确测试,缺少准确的参数,天线的设计难以达到最佳。

射频IC卡的市场行情一览

射频IC卡是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片,它具有数据处理及安全认证功能等特有的优点。射频IC卡又叫非接触式IC卡,诞生于90年代初,是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。