摘要：2.45 GHz頻段是RFID常用的頻段之一,。為了實(shí)現(xiàn)一款該頻段的性能良好的天線，在改善縫隙耦合饋電天線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,，在天線設(shè)計(jì)中融入高阻表面型微波光子晶體結(jié)構(gòu),。新穎的天線結(jié)構(gòu)及有效的設(shè)計(jì)思路，使天線在保持高增益的情況下,，在更寬的頻帶上具有更好的穩(wěn)定性,，同時(shí)也減小了天線的尺寸，使天線整體性能更加完善,。

　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，國內(nèi)外的專家學(xué)者對微帶天線的小型化,、寬頻帶,、高增益等技術(shù)做了廣泛而深入的研究。但是尺寸的過分縮減會(huì)引起天線其他性能的急劇劣化,，其中對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,，通過對貼片邊緣進(jìn)行開槽,，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,，所以電磁特性可以采用集總電路組件——電容和電感來進(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隙的寬度對耦合量影響不是很大,，相比較來說縫隙的長度對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,。縫隙長度增長,，會(huì)使諧振頻率降低,，諧振阻抗增加，這也說明縫隙長度越長,，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”字型耦合縫隙,。“國”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看,，降低帶隙頻率可通過增大等效電感L和電容C來實(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，可以通過改變周期單元的結(jié)構(gòu)來改變電容的量值[5],。由此本文設(shè)計(jì)了開縫嵌入式結(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,，沒有充分利用有限的貼片面積,。研究發(fā)現(xiàn)，金屬貼片開縫后,，表面電流流經(jīng)的路徑變長,，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為未開縫的嵌入式結(jié)構(gòu)對應(yīng)的反射相位曲線。在保持L型縫隙長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程,。因此，為有效減小單元尺寸,，L型縫隙可以開在貼片最外側(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,，諧振頻率就越低,，但是縫隙長度對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^程中,，利用單元形狀的變化來增大耦合電容，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,，在邊緣開槽,，開槽尺寸小而擴(kuò)展帶寬顯著。通過調(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,，開槽前駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為300 MHz,，開槽后駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為570 MHz，開槽后駐波在工作頻帶內(nèi)更加平坦,，可見開槽后天線帶寬得到很大提高,。開槽前、后天線增益變化不大,，約為7.57 dBi,。

　開槽貼片的同時(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,。通過實(shí)測,，天線駐波比小于2時(shí)的工作帶寬約為550 MHz,，對實(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)思路對于讀寫器天線設(shè)計(jì)來說具有實(shí)際的指導(dǎo)意義,。

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