应用于无芯片电子标签的双频天线

李 勇，邹传云，姚 捃，刘泰兴

(1.成都理工大学工程技术学院，四川乐山614007;2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010;3.四川信息职业技术学院，四川广元628017)

0 引言

天线是射频识别(radio frequency identification，RFID)系统中至关重要的装置，由于无芯片RFID电子标签没有集成电路(integrated circuit，IC)芯片，成本大大降低，故成为电子标签设计的热点，其实现的主要原理是以声表面波技术为基础:标签天线把读卡器发过来的信号传输给叉指换能器，换能器将接收到的电脉冲转换为声表面波，该声表面波经过呈编码形式的反射栅后，便带有特定的编码信息了，发射过程与此相反［1－3］。为使天线与叉指换能器便于集为一体，考虑设计一款小型化印刷偶极子天线。常见的印刷偶极子天线主要是采用微带巴伦线馈电，并且馈电线处于介质板的底面，而天线臂、地板在介质板的表面共面，底层与顶层由通孔连接，这种偶极子天线结构实现的是单频天线［4－6］;文献［7］设计了一种X波段宽带微带偶极子天线，实现了8～12 GHz的频段覆盖，但它采用短路探针补偿馈电分布电容，这样不利于标签天线的批量生产与应用;还有一种通过在辐射臂上开槽实现2.4 GHz和5.2 GHz频段的双频偶极子天线，阻抗带宽最大可达1 180 MHz，不足之处是增益方向图上的最大增益较小［8］。本文设计的双频印刷半波偶极子天线主要考虑的问题是阻抗带宽至少要覆盖2个免申请ISM频段:5.8 GHz频段(5.725～5.875 GHz)和2.45 GHz频段(2.400～2.500 GHz)，这样可以使电子标签适用于对应2种频段的阅读器，提高其兼容性;重点考虑如何优化天线结构，使其回波损耗较小，方向图增益要提高，且尺寸相对较小。

1 偶极子天线理论与建模

偶极子天线的辐射片变成一副对称的狭长振子形式，则形成微带平面化振子天线，也就是印刷偶极子天线。待传输信号从天线中心馈电点处馈入，经过巴伦线和微带传输线传输到偶极子天线的2个臂上。如果流经偶极子天线2个辐射臂上的电流方向相反，则天线不会辐射电磁波，而流经的电流方向完全相同时，则形成最强辐射。顾名思义，半波偶极子天线2个臂的总长度约为1/2个工作波长。选取相对介电常数为4.5、厚度为1.4 mm的FR4介质板，对于中心频率为2.45 GHz的波段来说，若在自由空间中传播，对应的工作波长约为122 mm，则半波偶极子天线2个臂的总长度约为61 mm;若在以FR4材质全部填充的介质中传播，其对应的工作波长约为58 mm，则2个臂的总长度［9］约为29 mm。鉴于印刷偶极子天线同时包含介质与自由空间，所以印刷偶极子天线的实际长度应该介于29～61 mm，故取二者的平均值45 mm作为天线2个臂的总长度初始值，宽度取4 mm。对于中心频率为5.8 GHz的波段分析方法一样:天线2个臂的总长度初始值定为19 mm，宽度为3 mm。以此尺寸建立的双频印刷偶极子天线结构如图1所示。

天线结构大致分为5部分:介质板、辐射臂、巴伦线、微带传输线和模拟地。该天线的顶层(见图1a)和底层(见图1b)结构分别位于介质板的两面，顶层与底层在水平面(X和Y轴)上完全重合，只是在高度上(Z轴坐标)相差h(即介质板的厚度)，所以，图1a中的坐标适用于图1b，设定Z轴由介质板底面指向顶层(垂直纸面向外)，即图1a中的坐标原点。图1中的标注参数说明如下:W0和W1分别为高低2个频段的辐射臂的宽度;Eh是指数巴伦线的长度;W是其初始宽度;L01和L11分别为高低2个频段的辐射臂弯折部分的长度;而L0和L1分别为非弯折部分的长度;Ld和Wd分别为模拟地板的长度和宽度;Ls是缝隙的长度;F1是馈线的长度;RA2.4是2.45 GHz频段的辐射臂;RA5.8是5.8 GHz频段的辐射臂;GND是模拟地板。指数巴伦线的宽度是按照指数在渐变，底层的馈线是从模拟地中延伸出来的;辐射臂进行1次弯折，可以减小天线的尺寸，但是如果连续多次弯折，那么，相应电流产生相反的相位，即产生寄生容性和感性，如果没有完全相互抵消，则影响天线的阻抗匹配。RA2.4辐射臂的弯折处设计成圆弧形，降低信号反射与提高品质因数，其他地方采用直角的目的是兼顾考虑带宽的需要，因为品质因数与带宽是对立的。

图1 偶极子天线结构Fig.1 Dipole antenna structure

2 天线模型的优化与实验结果分析

2.1 2种巴伦馈电的比较

如果采用矩形巴伦馈电，也就是将图1a的指数巴伦换成宽度为W0的矩形带线，其回波损耗曲线如图2所示。当L01和L1取不同的值，天线的谐振点对应不同的偏移，从图2中可以看出，m1和m2点分别代表低频段和高频段的2个谐振点;L01主要决定2.45 GHz频段的谐振点;L1主要决定5.8 GHz频段的谐振点，尺寸越大，频率越低，而且由于5.8 GHz比2.45 GHz频率高，则5.8 GHz频段的谐振点对尺寸影响的敏感度更强;当L01=9.4 mm;L1=5.8 mm时，2.45 GHz和5.8 GHz频段的回波损耗S11分别为－15.87 dB与－13.80 dB。

图2 矩形巴伦下不同尺寸对应的回波损耗Fig.2 Different size corresponding return loss with rectangular barron

从图3中可以看出，当a=1.3，b=0.045 73时，回波损耗曲线最为理想，2.45 GHz处达到－17.640 5 dB，5.8 GHz处达到 －38.326 2 dB，明显优于采用矩形巴伦馈电的回波损耗。它反映出渐进巴伦比矩形巴伦更容易实现阻抗匹配。图4是渐进巴伦天线对应的阻抗圆图，在2.45 GHz和5.8 GHz处对应的归一化阻抗分别为1.16－0.28j，1.01－0.01j。可见天线与50 Ω的馈电端口达到了理想的匹配度。从回波损耗S11不大于－10 dB的阻抗带宽来看:5.8 GHz频段的阻抗带宽覆盖了5.54～6.02 GHz，2.45 GHz频段的阻抗带宽覆盖了2.38～2.52 GHz。

现在分析采用指数渐变巴伦对回波损耗的影响。因为射频馈电端口阻抗一般是50 Ω，天线(含馈线)的输入阻抗 Zin为［8］

(1)式中:Za代表特征阻抗;ZL是天线辐射臂的阻抗;θab是电长度。由于馈线的特征阻抗Za是不随频率改变的，而天线辐射臂的阻抗ZL和电长度θab要随频率改变;因此，对于双频天线，通过指数巴伦使线宽渐变，使得特征阻抗Za渐变，从而利于阻抗匹配。在图1中可以看出，指数渐变巴伦的线宽W0不是一个恒定值，而是按照(2)式中的指数形式变化

(2)式中:a是指数渐变巴伦线的初始宽度;b决定指数巴伦线宽的渐变率，也就是调整b的大小可以改变巴伦线轮廓的曲张率;t是巴伦线长度的坐标绝对值，取值为8～19。当a，b取不同值时，对应的回波损耗如图3所示。

图3 不同尺寸的渐进巴伦对应的回波损耗Fig.3 Different sizes of gradual barron corresponding return loss

图4 渐进巴伦天线对应的smith阻抗圆图Fig.4 Gradual barron corresponding smith impedance circle

2.2 地板开缝对增益的影响

电子标签的有效识别距离和天线的增益息息相关，在某一方向上的增益值越大，则在该方向上的有效识别距离越远。在模拟地板上开2个对称缝隙(见图1b)，改变天线上电荷的分布位置，增强在两端缝隙区的电荷聚集密度。其开缝前后增益方向图变化比较如图5、图6所示。

图5 5.8 GHz频段的方向图Fig.5 Direction diagram in 5.8 GHz spectrum

图5a和图5b分别是5.8 GHz频段H面和E面的增益方向图，连续型曲线代表的是模拟地板开缝后的增益，最大值为3.315 3 dB;断点曲线代表开缝前的增益，最大值2.671 1 dB，相当于提高了24.1%。E面上各个方向是等增益的，其增益值与H面上的最大增益相当。图6a和图6b分别是2.45 GHz频段H面和E面的增益方向图，断点曲线代表的是模拟地板开缝后的增益，连续型曲线代表开缝前的增益。H面上的增益最大值前后变化不大，基本上都在Theta=90 deg处:其值为1.564 7 dB，但是大约在Theta=－180 deg处，开缝前的增益趋近于0 dB，而开缝后可达0.486 5 dB。E面上各个方向是等增益的，其开缝前后增益值分别为－0.131 5 dB，0.257 5 dB，相当于提高了296%。

图6 2.45 GHz频段的方向图Fig.6 Direction diagram in 2.45 GHz spectrum

3 实验结果比较

经过对天线的优化，确定了图1中天线的具体尺寸为 W0=4 mm，L0=18 mm，L01=9.3 mm，L11=2.85 mm，Eh=13 mm，F1=2 mm，L1=4 mm，Ld=10 mm，Wd=5 mm，W1=2 mm，缝隙长度 Ls=2 mm，宽度为1 mm。

本文的设计结果与其他文献结果相比:文献［7－8］的主要特点是阻抗带宽较宽，本文设计的天线阻抗带宽为5.54～6.02 GHz和2.38～2.52 GHz，完全覆盖了2个隔离的免申请ISM频段，再大的带宽已失去了意义;从文献［4－8］的总增益方向图上来看，最大增益值是文献［5］:约为2.16 dB，而本文可达3.315 3 dB;文献［4－8］的天线尺寸大小分别为49 mm ×51 mm，80.14 mm ×50 mm，16 mm ×24 mm，55 mm×35 mm;本文中天线的尺寸为32 mm×19 mm。

4 结束语

本文设计的双频印刷偶极子天线覆盖2个免申请ISM频段:5.8 GHz和2.45 GHz频段，可以使电子标签适用于对应2种频段的阅读器，提高其兼容性。实验结果表明:渐变巴伦馈电方式可以降低回波损耗，地板开缝结构可以有效提高方向图的总增益。

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