應(yīng)用于無(wú)芯片電子標(biāo)簽的雙頻天線

李 勇，鄒傳云，姚 捃，劉泰興

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂(lè)山614007;2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010;3.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元628017)

0 引言

天線是射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)系統(tǒng)中至關(guān)重要的裝置，由于無(wú)芯片RFID電子標(biāo)簽沒有集成電路(integrated circuit，IC)芯片，成本大大降低，故成為電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)的主要原理是以聲表面波技術(shù)為基礎(chǔ):標(biāo)簽天線把讀卡器發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)傳輸給叉指換能器，換能器將接收到的電脈沖轉(zhuǎn)換為聲表面波，該聲表面波經(jīng)過(guò)呈編碼形式的反射柵后，便帶有特定的編碼信息了，發(fā)射過(guò)程與此相反［1－3］。為使天線與叉指換能器便于集為一體，考慮設(shè)計(jì)一款小型化印刷偶極子天線。常見的印刷偶極子天線主要是采用微帶巴倫線饋電，并且饋電線處于介質(zhì)板的底面，而天線臂、地板在介質(zhì)板的表面共面，底層與頂層由通孔連接，這種偶極子天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是單頻天線［4－6］;文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種X波段寬帶微帶偶極子天線，實(shí)現(xiàn)了8～12 GHz的頻段覆蓋，但它采用短路探針補(bǔ)償饋電分布電容，這樣不利于標(biāo)簽天線的批量生產(chǎn)與應(yīng)用;還有一種通過(guò)在輻射臂上開槽實(shí)現(xiàn)2.4 GHz和5.2 GHz頻段的雙頻偶極子天線，阻抗帶寬最大可達(dá)1 180 MHz，不足之處是增益方向圖上的最大增益較?。?］。本文設(shè)計(jì)的雙頻印刷半波偶極子天線主要考慮的問(wèn)題是阻抗帶寬至少要覆蓋2個(gè)免申請(qǐng)ISM頻段:5.8 GHz頻段(5.725～5.875 GHz)和2.45 GHz頻段(2.400～2.500 GHz)，這樣可以使電子標(biāo)簽適用于對(duì)應(yīng)2種頻段的閱讀器，提高其兼容性;重點(diǎn)考慮如何優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，使其回波損耗較小，方向圖增益要提高，且尺寸相對(duì)較小。

1 偶極子天線理論與建模

偶極子天線的輻射片變成一副對(duì)稱的狹長(zhǎng)振子形式，則形成微帶平面化振子天線，也就是印刷偶極子天線。待傳輸信號(hào)從天線中心饋電點(diǎn)處饋入，經(jīng)過(guò)巴倫線和微帶傳輸線傳輸?shù)脚紭O子天線的2個(gè)臂上。如果流經(jīng)偶極子天線2個(gè)輻射臂上的電流方向相反，則天線不會(huì)輻射電磁波，而流經(jīng)的電流方向完全相同時(shí)，則形成最強(qiáng)輻射。顧名思義，半波偶極子天線2個(gè)臂的總長(zhǎng)度約為1/2個(gè)工作波長(zhǎng)。選取相對(duì)介電常數(shù)為4.5、厚度為1.4 mm的FR4介質(zhì)板，對(duì)于中心頻率為2.45 GHz的波段來(lái)說(shuō)，若在自由空間中傳播，對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)約為122 mm，則半波偶極子天線2個(gè)臂的總長(zhǎng)度約為61 mm;若在以FR4材質(zhì)全部填充的介質(zhì)中傳播，其對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)約為58 mm，則2個(gè)臂的總長(zhǎng)度［9］約為29 mm。鑒于印刷偶極子天線同時(shí)包含介質(zhì)與自由空間，所以印刷偶極子天線的實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)該介于29～61 mm，故取二者的平均值45 mm作為天線2個(gè)臂的總長(zhǎng)度初始值，寬度取4 mm。對(duì)于中心頻率為5.8 GHz的波段分析方法一樣:天線2個(gè)臂的總長(zhǎng)度初始值定為19 mm，寬度為3 mm。以此尺寸建立的雙頻印刷偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線結(jié)構(gòu)大致分為5部分:介質(zhì)板、輻射臂、巴倫線、微帶傳輸線和模擬地。該天線的頂層(見圖1a)和底層(見圖1b)結(jié)構(gòu)分別位于介質(zhì)板的兩面，頂層與底層在水平面(X和Y軸)上完全重合，只是在高度上(Z軸坐標(biāo))相差h(即介質(zhì)板的厚度)，所以，圖1a中的坐標(biāo)適用于圖1b，設(shè)定Z軸由介質(zhì)板底面指向頂層(垂直紙面向外)，即圖1a中的坐標(biāo)原點(diǎn)。圖1中的標(biāo)注參數(shù)說(shuō)明如下:W0和W1分別為高低2個(gè)頻段的輻射臂的寬度;Eh是指數(shù)巴倫線的長(zhǎng)度;W是其初始寬度;L01和L11分別為高低2個(gè)頻段的輻射臂彎折部分的長(zhǎng)度;而L0和L1分別為非彎折部分的長(zhǎng)度;Ld和Wd分別為模擬地板的長(zhǎng)度和寬度;Ls是縫隙的長(zhǎng)度;F1是饋線的長(zhǎng)度;RA2.4是2.45 GHz頻段的輻射臂;RA5.8是5.8 GHz頻段的輻射臂;GND是模擬地板。指數(shù)巴倫線的寬度是按照指數(shù)在漸變，底層的饋線是從模擬地中延伸出來(lái)的;輻射臂進(jìn)行1次彎折，可以減小天線的尺寸，但是如果連續(xù)多次彎折，那么，相應(yīng)電流產(chǎn)生相反的相位，即產(chǎn)生寄生容性和感性，如果沒有完全相互抵消，則影響天線的阻抗匹配。RA2.4輻射臂的彎折處設(shè)計(jì)成圓弧形，降低信號(hào)反射與提高品質(zhì)因數(shù)，其他地方采用直角的目的是兼顧考慮帶寬的需要，因?yàn)槠焚|(zhì)因數(shù)與帶寬是對(duì)立的。

圖1 偶極子天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Dipole antenna structure

2 天線模型的優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 2種巴倫饋電的比較

如果采用矩形巴倫饋電，也就是將圖1a的指數(shù)巴倫換成寬度為W0的矩形帶線，其回波損耗曲線如圖2所示。當(dāng)L01和L1取不同的值，天線的諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的偏移，從圖2中可以看出，m1和m2點(diǎn)分別代表低頻段和高頻段的2個(gè)諧振點(diǎn);L01主要決定2.45 GHz頻段的諧振點(diǎn);L1主要決定5.8 GHz頻段的諧振點(diǎn)，尺寸越大，頻率越低，而且由于5.8 GHz比2.45 GHz頻率高，則5.8 GHz頻段的諧振點(diǎn)對(duì)尺寸影響的敏感度更強(qiáng);當(dāng)L01=9.4 mm;L1=5.8 mm時(shí)，2.45 GHz和5.8 GHz頻段的回波損耗S11分別為－15.87 dB與－13.80 dB。

圖2 矩形巴倫下不同尺寸對(duì)應(yīng)的回波損耗Fig.2 Different size corresponding return loss with rectangular barron

從圖3中可以看出，當(dāng)a=1.3，b=0.045 73時(shí)，回波損耗曲線最為理想，2.45 GHz處達(dá)到－17.640 5 dB，5.8 GHz處達(dá)到 －38.326 2 dB，明顯優(yōu)于采用矩形巴倫饋電的回波損耗。它反映出漸進(jìn)巴倫比矩形巴倫更容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。圖4是漸進(jìn)巴倫天線對(duì)應(yīng)的阻抗圓圖，在2.45 GHz和5.8 GHz處對(duì)應(yīng)的歸一化阻抗分別為1.16－0.28j，1.01－0.01j?？梢娞炀€與50 Ω的饋電端口達(dá)到了理想的匹配度。從回波損耗S11不大于－10 dB的阻抗帶寬來(lái)看:5.8 GHz頻段的阻抗帶寬覆蓋了5.54～6.02 GHz，2.45 GHz頻段的阻抗帶寬覆蓋了2.38～2.52 GHz。

現(xiàn)在分析采用指數(shù)漸變巴倫對(duì)回波損耗的影響。因?yàn)樯漕l饋電端口阻抗一般是50 Ω，天線(含饋線)的輸入阻抗 Zin為［8］

(1)式中:Za代表特征阻抗;ZL是天線輻射臂的阻抗;θab是電長(zhǎng)度。由于饋線的特征阻抗Za是不隨頻率改變的，而天線輻射臂的阻抗ZL和電長(zhǎng)度θab要隨頻率改變;因此，對(duì)于雙頻天線，通過(guò)指數(shù)巴倫使線寬漸變，使得特征阻抗Za漸變，從而利于阻抗匹配。在圖1中可以看出，指數(shù)漸變巴倫的線寬W0不是一個(gè)恒定值，而是按照(2)式中的指數(shù)形式變化

(2)式中:a是指數(shù)漸變巴倫線的初始寬度;b決定指數(shù)巴倫線寬的漸變率，也就是調(diào)整b的大小可以改變巴倫線輪廓的曲張率;t是巴倫線長(zhǎng)度的坐標(biāo)絕對(duì)值，取值為8～19。當(dāng)a，b取不同值時(shí)，對(duì)應(yīng)的回波損耗如圖3所示。

圖3 不同尺寸的漸進(jìn)巴倫對(duì)應(yīng)的回波損耗Fig.3 Different sizes of gradual barron corresponding return loss

圖4 漸進(jìn)巴倫天線對(duì)應(yīng)的smith阻抗圓圖Fig.4 Gradual barron corresponding smith impedance circle

2.2 地板開縫對(duì)增益的影響

電子標(biāo)簽的有效識(shí)別距離和天線的增益息息相關(guān)，在某一方向上的增益值越大，則在該方向上的有效識(shí)別距離越遠(yuǎn)。在模擬地板上開2個(gè)對(duì)稱縫隙(見圖1b)，改變天線上電荷的分布位置，增強(qiáng)在兩端縫隙區(qū)的電荷聚集密度。其開縫前后增益方向圖變化比較如圖5、圖6所示。

圖5 5.8 GHz頻段的方向圖Fig.5 Direction diagram in 5.8 GHz spectrum

圖5a和圖5b分別是5.8 GHz頻段H面和E面的增益方向圖，連續(xù)型曲線代表的是模擬地板開縫后的增益，最大值為3.315 3 dB;斷點(diǎn)曲線代表開縫前的增益，最大值2.671 1 dB，相當(dāng)于提高了24.1%。E面上各個(gè)方向是等增益的，其增益值與H面上的最大增益相當(dāng)。圖6a和圖6b分別是2.45 GHz頻段H面和E面的增益方向圖，斷點(diǎn)曲線代表的是模擬地板開縫后的增益，連續(xù)型曲線代表開縫前的增益。H面上的增益最大值前后變化不大，基本上都在Theta=90 deg處:其值為1.564 7 dB，但是大約在Theta=－180 deg處，開縫前的增益趨近于0 dB，而開縫后可達(dá)0.486 5 dB。E面上各個(gè)方向是等增益的，其開縫前后增益值分別為－0.131 5 dB，0.257 5 dB，相當(dāng)于提高了296%。

圖6 2.45 GHz頻段的方向圖Fig.6 Direction diagram in 2.45 GHz spectrum

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

經(jīng)過(guò)對(duì)天線的優(yōu)化，確定了圖1中天線的具體尺寸為 W0=4 mm，L0=18 mm，L01=9.3 mm，L11=2.85 mm，Eh=13 mm，F(xiàn)1=2 mm，L1=4 mm，Ld=10 mm，Wd=5 mm，W1=2 mm，縫隙長(zhǎng)度 Ls=2 mm，寬度為1 mm。

本文的設(shè)計(jì)結(jié)果與其他文獻(xiàn)結(jié)果相比:文獻(xiàn)［7－8］的主要特點(diǎn)是阻抗帶寬較寬，本文設(shè)計(jì)的天線阻抗帶寬為5.54～6.02 GHz和2.38～2.52 GHz，完全覆蓋了2個(gè)隔離的免申請(qǐng)ISM頻段，再大的帶寬已失去了意義;從文獻(xiàn)［4－8］的總增益方向圖上來(lái)看，最大增益值是文獻(xiàn)［5］:約為2.16 dB，而本文可達(dá)3.315 3 dB;文獻(xiàn)［4－8］的天線尺寸大小分別為49 mm ×51 mm，80.14 mm ×50 mm，16 mm ×24 mm，55 mm×35 mm;本文中天線的尺寸為32 mm×19 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的雙頻印刷偶極子天線覆蓋2個(gè)免申請(qǐng)ISM頻段:5.8 GHz和2.45 GHz頻段，可以使電子標(biāo)簽適用于對(duì)應(yīng)2種頻段的閱讀器，提高其兼容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:漸變巴倫饋電方式可以降低回波損耗，地板開縫結(jié)構(gòu)可以有效提高方向圖的總增益。

［1］HARHNANN C S.A Global SAW ID Tag With Large Data Capacity［C］//Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium.USA:IEEE Press，2002:65－69.

［2］周恮，李慶亮，韓韜，等.基于頻率步進(jìn)原理的聲表面波射頻標(biāo)簽的辨識(shí)［J］.壓電與聲光，2007，29(2):132－134.ZHOU Quan，LI Qingliang，HAN Tao，et al.Identification of Surface Acoustic Wave RFID Based on Frequency Stepped ContinuousWave［J］. Piezoelectectrics ＆Acoustooptics，2007，29(2):132－134.

［3］鄔賀銓.物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)綜述［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，22(5):526－531.WU Hequan.Review on Internet of Things application and challenges［J］.Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications:Natural Science Edition，2010，22(5):526－531.

［4］孫素娟.適用高頻SAW射頻標(biāo)簽的諧振器與天線設(shè)計(jì)［D］.天津:天津理工大學(xué)，2012.SUN Sujuan.The Design of High Frequency SAW RFID tag’s Resonator and Antenna［D］.Tianjing:Tianjin University of Technology，2012.

［5］邊莉，王少永，喬文亮.1.8GHZ微帶平衡巴倫饋電印刷偶極子天線［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20(4):300－302.BIAN Li，WANG Shaoyong，QIAO Wenliang.1.8 GHz Printing Dipole Antenna Design Using Balanced Microstrip Balun Feed［J］.Heilongjiang Institute of Science ＆Technology，2010，20(4):300－302.

［6］李秀萍，劉禹，曹海鷹.基于RFID應(yīng)用的小型化印刷偶極子天線設(shè)計(jì)［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(5):75－78.LI Xiuping，LIU Yu，CAO Haiying.Minimized Printed Dipole Antenna Design Based on RFID Application［J］.Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2006，29(5):75－78.

［7］官偉，孫紹國(guó).X波段寬帶微帶偶極子天線［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2012，41(1):63－66.GUAN Wei，SUN Shaoguo.An X－band Wideband Microstrip Dipole Antenna［J］.Fire Control Radar Technology，2012，41(1):63－66.

［8］楊林，栗曦，楊彥炯.雙頻帶巴倫饋電的寬帶雙頻印刷偶極子設(shè)計(jì)［J］.微波學(xué)報(bào)，2010，8(1):99－102.YANG Lin，LI Xi，YANG Yanjiong.Wideband and Dual－Band Design of A Printed Dipole Antenna Integrated With Dual－Band［J］.Journal of MicroWaves，2010，8(1):99－102.

［9］李明洋，劉敏，楊放.HFSS天線設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:75－76.LI Mingyang，LIU Min，YANG Fang.Design of antenna With hfss［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2011:75－76.