礦用RFID閱讀器天線設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了一種應(yīng)用于礦用RFID系統(tǒng)的閱讀器天線，該天線由兩層結(jié)構(gòu)組成并由單個同軸探針饋電。通過雙層微帶結(jié)構(gòu)有效地改善天線的帶寬，同時，在天線上層的方形金屬環(huán)中加載接地金屬化孔以減小天線有效口徑從而降低增益實(shí)現(xiàn)寬波束。文章設(shè)計(jì)的工作在s波段的寬波束天線，半功率波束寬度為180°，相對帶寬為8%。

關(guān)鍵詞：寬波束；RFID天線；微帶天線

1 概述

天線處于RFID讀寫器系統(tǒng)的最前端，是RFID讀寫器的重要組成部分，讀寫器天線增益系數(shù)決定了標(biāo)簽感應(yīng)的靈敏度、作用距離和范圍大小。讀寫器天線的阻抗帶寬，則影響RFID讀寫器與天線的匹配程度，決定了讀寫器的能量及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收質(zhì)量的好壞，因此天線性能對整個RFID系統(tǒng)的性能具有重要的影響[1]。

微帶天線以剖面薄、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為RFID天線的理想選擇[2]。但傳統(tǒng)的微帶天線相對工作帶寬只有0.3%-3%左右，半功率波束寬度為70°～100°[3]，難以滿足礦用RFID系統(tǒng)對讀寫器天線寬波束及帶寬的需求。許多文獻(xiàn)記載過多種展寬圓極化微帶天線波束的方法，如采用高介電常數(shù)介質(zhì)、調(diào)整介質(zhì)板尺寸并使其大于地[4]、三維接地結(jié)構(gòu)[5]、折合金屬壁結(jié)構(gòu)[6]等。但這些方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、天線輻射效率低、波束寬度不大于120°，在此文章提出了一種多層結(jié)構(gòu)，有效地改善了天線的帶寬，其相對帶寬為8%；同時在天線上層的方形金屬環(huán)中加載接地金屬化孔以展寬微帶天線波束，其半功率波束寬度為180°。

2 RFID系統(tǒng)組成及工作原理

典型的RFID系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、閱讀器以及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)這三個部分組成，RFID系統(tǒng)的基本模型如圖1所示。其中，電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又稱為讀出裝置、掃描器、讀頭、通信器、讀寫器（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間耦合；在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞與數(shù)據(jù)的交換。

電子標(biāo)簽又可細(xì)分標(biāo)簽芯片和射頻天線兩部分。電子標(biāo)簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為待識別物品的識別性信息。應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在待識別物品上，作為待識別物品的電子標(biāo)記。當(dāng)電子標(biāo)簽接收到閱讀器的發(fā)射信號的時候，電子標(biāo)簽被“喚醒”，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應(yīng)的動作，并將相應(yīng)信息發(fā)射回給閱讀器。

閱讀器也分為閱讀器和射頻天線兩部分。閱讀器通過將射頻天線發(fā)射信號“喚醒”和傳送指令給電子標(biāo)簽，并接收標(biāo)簽返回的信號。再進(jìn)行信號調(diào)理與處理之后，完成對電子標(biāo)簽信息的獲取和解析，將有用的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到數(shù)據(jù)交換管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理。它也可以由簡單的本地軟件擔(dān)當(dāng)，也可以是集成了RFID管理模塊的分布式ERP管理軟件。

RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是射頻標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的射頻場后，經(jīng)天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)放大電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。

3 天線結(jié)構(gòu)特性分析

3.1 天線結(jié)構(gòu)

圖2給出了設(shè)計(jì)的寬波束圓極化天線的結(jié)構(gòu)圖，兩層介質(zhì)板采用相同介電常數(shù)的介質(zhì)。由于微帶天線上的表面波對天線輻射方向圖影響很大，在設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量避免表面波的產(chǎn)生，而設(shè)計(jì)微帶天線的介質(zhì)板越厚表面波越容易引入，所以下層介質(zhì)采用較薄的介質(zhì)板。而上層介質(zhì)的厚度直接關(guān)系到金屬化接地孔的高度，為了達(dá)到擴(kuò)展波束的目的，對金屬化接地孔的高度有一定要求，故一般上層介質(zhì)選用較厚的介質(zhì)板，當(dāng)工作頻率較低時一般由多層介質(zhì)板擠壓在一起構(gòu)成。為了方便焊接饋電點(diǎn)，需要將覆蓋天線位置的上層介質(zhì)挖去以形成圖中所示的方形洞。兩層介質(zhì)結(jié)構(gòu)是為了方便在天線周圍打金屬化接地孔，同時位于上層介質(zhì)上表面的金屬方形環(huán)把所有的金屬化接地孔連接到一起以形成封閉的結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示，而方形環(huán)自身的寬度對天線的輻射性能影響不大，其寬度一般略大于金屬化接地孔的直徑。金屬化接地孔位于方形環(huán)的中心線上以形成旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。采用同軸饋電的方形貼片天線位于下層介質(zhì)上表面如圖2（c）所示，由于受四周的接地金屬化孔的影響，貼片尺寸略有減小。

3.2 金屬化接地孔的高度對波束寬度的影響

如圖2（a）所示h為介質(zhì)基板的厚度，圖3給出了d值固定、介質(zhì)厚度h不同時天線的增益。從圖可以看出厚度h在一定范圍之內(nèi)，隨著h的增加3dB波束寬度增大，當(dāng)超過某個值時3dB波束寬度隨著h的增加而減小。所以存在一個h值使得3dB波束寬度最大。

3.3 金屬化接地孔的間距對波束寬度的影響

如圖2（b）所示，s為金屬化接地孔之間的距離，圖4給出了d=0.08，h=0.11時，不同s值對波束寬度的影響。從圖可以看出隨著接地金屬孔之間的距離的減小，天線增益降低，3dB波束寬度增加，當(dāng)3dB波束寬度增加到一個峰值時再隨著間距s的減小而保持不變。

4 寬波束天線設(shè)計(jì)實(shí)例及仿真結(jié)果

基于以上討論，本章設(shè)計(jì)了一個工作在2.4GHz的寬波束微帶天線，雙層介質(zhì)基板均選用F4B-2，介電常數(shù)為2.65，通過選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如金屬化接地孔高度及間距）以展寬天線的波束，同時提高微帶天線的工作帶寬。圖5給出了回波損耗隨頻率變化關(guān)系，由圖可以看出，在工作頻率2.4GHz時的回波損耗為-19dB，天線的-10dB相對工作帶寬為8%，相比傳統(tǒng)的微帶天線提高了一倍。圖6給出了在工作頻率f=2.4GHz時天線輻射方向圖。由圖可知，天線的最大增益為2.8dBi，半功率波束寬度為180°，因此天線在上半平面基本實(shí)現(xiàn)了全向輻射。該天線的方向圖前向輻射比較強(qiáng)，后向輻射比較弱，這樣有利于標(biāo)簽信息的有效拾取，同時也減少了電磁波的反向干擾。

4 結(jié)束語

文章介紹了一種應(yīng)用于礦用RFID系統(tǒng)的閱讀器天線，提出雙層微帶結(jié)構(gòu)，通過雙層微帶結(jié)構(gòu)有效地改善天線的帶寬，同時，在天線上層的方形金屬環(huán)中加載接地金屬化孔以減小天線有效口徑從而降低增益實(shí)現(xiàn)寬波束。文章設(shè)計(jì)的工作在s波段的寬波束天線，半功率波束寬度為180°，相對帶寬為8%。

參考文獻(xiàn)

[1]張為，曾燕.“基于LTCC技術(shù)的UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)”[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（5）：987-990，.

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[4]X.L.Bao and M.J. Ammann，"Dual-frequency dual circularly-polarised patch antenna with wide beamwidth"， Electronics Letters，2008，44（21）.

[5]Tang， C.L.， Chiou， J.Y.， and Wong， K.L.， 'Beamwidth enhancement of a circularly polarized microstrip antenna mounted on a three-dimensional ground structure'， Microwave and Optical Technology Letters.2002，32（2）：149-153.

[6]H. Nakano， S. Shimada， and J. Yamauchi， "A circularly polarized patch antenna enclosed by a folded conducting wall，" IEEE Conference on Wireless Communication Technology，2003：134-135.

作者簡介：王松強(qiáng)（1989-），男，安徽歙縣人，安徽大學(xué)本科，助理工程師，主要從事監(jiān)控系統(tǒng)前端研發(fā)。