一種UHF頻段高極化隔離度雙極化RFID讀寫器天線設計

　　1 引言

　　近年來，隨著RFID（射頻識別）技術快速發展，該技術已廣泛應用于生產、物流、交通、運輸、醫療、防偽、跟蹤和資產管理等應用領域。當前，各國使用的頻段各不相同，在北美和南美，無源RFID頻段為902MHz到928MHz。許多工作者在縫隙耦合、高隔離度和雙極化等方面做了很多研究工作，比如提出了一種使用縫隙耦合的微帶天線，并得到了雙極化和二端口間的高隔離度，不過它的工作頻率是5.8GHz。提到的天線，雖然結構簡單，中心工作頻率在 911MHz，但它的阻抗帶寬相對較窄。也有在865MHz到928MHz這樣寬頻帶工作的RFID天線，不過該天線只適合用作標簽天線。

　　對于微帶天線，相比于其他饋電機制，縫隙耦合具有更好的設計靈活性。雙極化工作的微帶天線也非常適合于RFID應用。因此，在本文中，我們提出了一種適合于北美和南美RFID應用的雙極化縫隙耦合的微帶天線。該微帶天線得到了較高的隔離度；天線的增益大約為7.5dBi；帶寬在VSWR=1.5時已經覆蓋了902MHz-928MHz頻段。

　　2 天線設計

　　本文主要設計了一個縫隙耦合的微帶天線。天線分為三層：頂層是介質層，介質層上是輻射貼片；中間一層是空氣層；底層也是介質層，介質層上是接地層，介質層下是饋電。它們的參數設置如下：介質層厚度都為1.6mm；它們的相對介電常數都為4.4；為了增加天線的帶寬，這里選擇空氣層的厚度為25mm。天線的側視圖如圖1所示。

　　圖1 天線的側視圖

　　本設計采用單貼片，為了使天線諧振在915MHz，長方形貼片的長度選擇為113mm，寬度選擇為108mm。輻射貼片如圖2中的虛線框所示。

　　該天線的饋電方式采用縫隙耦合。在接地層中挖出兩個H形的縫隙。H形縫隙的寬度都相同（H形邊臂和中間臂寬度分別為1mm和0.5mm）；縫隙邊臂和中間臂的長度和寬度如圖2所示（單位都為mm）。以輻射貼片的中心線確定一坐標（x軸和y軸），則從圖中可以看出，H形縫隙是關于y軸對稱的；H形縫隙與x軸的相對位置也在圖2中標出。利用縫隙耦合，在端口1和端口2之間可以得到很高的隔離度。

　　圖2 天線的輻射貼片和耦合縫隙圖

　　在天線的底層下是饋電層，在本設計中饋電層是由50om的微帶線組成，微帶線的寬度為3.1mm。饋電層的俯視圖如圖3所示。圖中的t1=8.05mm，t2=11.95mm。

　　圖3 天線的饋電

　　3 結果

　　基于仿真結果，我們加工了一個天線實物，并利用網絡分析儀得到了測試結果。通過仿真，我們得到了較好的仿真結果：回波損耗S11和S22的帶寬（14dB 時）分別為44.51MHz（898.72MHz-943.23MHz）和66.24MHz（888.73MHz-954.97MHz）；而且在整個帶寬內，天線端口1和端口2的隔離度好于-34dB。實測結果中，回波損耗S11和S22的帶寬（14dB時）分別為63MHz（897.5MHz- 960.5MHz）和32.38MHz（896.37MHz-928.75MHz）；在整個帶寬內，天線端口1和端口2的隔離度好于-33dB。在圖4、圖5和圖6中分別示出了S11、S22和隔離度的仿真結果和實測結果。

　　圖4 仿真和實測的回波損耗S11

　　圖5 仿真和實測的回波損耗S22

　　圖6 仿真和實測的隔離度

　　從圖4、圖5和圖6中可以看出，回波損耗S11和隔離度的仿真結果和實測結果較為符合，而回波損耗S22的實測結果與仿真結果相差較大，不過其仿真結果和實測結果都已經滿足北美應用的帶寬要求（902MHz-928MHz）。

　　天線的輻射方向圖如圖7所示。圖7中示出了915MHz時端口1和端口2的兩個主平面輻射方向圖，可以看出得到了很好的輻射特性，交叉極化值也很小；天線增益大約為7.5dBi；仿真的天線效率大約為90%。通過端口1和端口2激勵，可以得到雙極化。

　?。╝）端口1的x-z面

　?。╞）端口1的y-z面

　　（c）端口2的x-z面

　　（d）端口2的y-z面

　　圖7 端口1和2兩主平面的輻射方向圖

　　4 結論

　　在本文中，利用縫隙耦合實現天線饋電，得到雙極化的微帶天線。基于仿真結果，我們加工了天線實物，并測試了天線。天線中心頻率為915MHz，帶寬在 VSWR=1.5時能夠覆蓋902MHz-928MHz頻段；同時天線在工作頻段內具有較高的隔離度、良好的增益特性和交叉極化特性。此天線適合于 RFID讀寫器應用。