折疊偶極子天線的設(shè)計(jì)

摘要:射頻識(shí)別(RFID)應(yīng)用中的天線設(shè)計(jì)需考慮的最重要因素是低價(jià)位、小剖面和小型化,而為了最大功率傳輸,天線的輸出阻抗必須和其后的芯片的輸入阻抗匹配。本文介紹一種新穎的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)折疊偶極子天線,所需的輸入阻抗能通過選擇合適的幾何參數(shù)輕易獲得,這對(duì)設(shè)計(jì)特殊阻抗的天線非常有用。

關(guān)鍵詞:折疊偶極子天線;天線輸入阻抗;射頻識(shí)別

一、引　言
 
　　在RF裝置中,當(dāng)工作頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候,除了射頻電路的設(shè)計(jì)外,一個(gè)好的RFID標(biāo)簽還要有好的天線設(shè)計(jì)。在選擇天線時(shí),需考慮的因素包括天線的類型、天線的阻抗、貼標(biāo)簽物品的RF性能、圍繞貼標(biāo)簽物品的其它物品的RF性能。

此外,天線類型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配,天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片,這就需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)天線及其自由空間,讓它和相連的標(biāo)簽芯片有最好的匹配。而折疊偶極子天線能通過選擇合適的幾何參數(shù)來獲得所需的輸入阻抗。端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線性能非常出色,與半波偶極子天線相比尺寸要小很多,具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優(yōu)點(diǎn),若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器,能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。

二、折疊偶極子天線原理
 
　　折疊短片( Shorted - Patch)天線的結(jié)構(gòu)演變見圖1。稱之為折疊短片S - P結(jié)構(gòu)是因?yàn)檫@種天線由傳統(tǒng)的微帶片發(fā)展而來。眾所周知,傳統(tǒng)的矩形片天線在基本工作模式下天線長(zhǎng)度是λ0/2,如圖1( a) 所示�？紤]到圍繞片中間的電場(chǎng)弱化,我們能利用金屬屏蔽縮短中線周圍片塊而不明顯改變天線固有頻率,由此得到長(zhǎng)度為λ0/4的S-P天線,如圖1 ( b) 所示。接著我們反向折疊S-P天線短片塊和接地面為一體,如圖1( c)所示。注意到折疊S-P天線的整個(gè)電氣長(zhǎng)度變化不大,但天線實(shí)際長(zhǎng)度將減半為λ0/8。最后,我們?cè)谟疫呅略黾右粔K接地面(原始的接地面已經(jīng)變?yōu)樘炀�上片塊)并且壓縮折疊片塊為一體,形成如圖1( d)的標(biāo)準(zhǔn)折疊短片S-P天線,該折疊天線能用不同方法集成到射頻電路板上。

圖1　折疊天線的結(jié)構(gòu)演變

折疊偶極子天線的結(jié)構(gòu)演變見圖2,折疊偶極子天線的構(gòu)造見圖3�？梢妰蓚�(gè)折疊線取代了一般偶極子天線的直形線,跟以往的折疊偶極子天線不同,該天線不是一個(gè)閉合環(huán),它的折疊末端仍是開放的。折疊偶極子天線本質(zhì)上是一個(gè)兩端折疊后用一個(gè)無感電阻連接的環(huán)型天線。折疊偶極子天線具有5: 1或6: 1的頻率特征,這意味著它可以有效工作在設(shè)計(jì)的最低頻率到5或6倍的頻率間。例如,折疊偶極子天線的設(shè)計(jì)最佳頻率在4. 9 MHz,但可以工作在一直到25～29 MHz的頻率范圍。此種開放末端結(jié)構(gòu)提供了阻抗調(diào)整的巨大空間,特別是輸入阻抗Xin。需設(shè)計(jì)的變化阻抗由天線的幾何參數(shù)L1、L2、L3 來確定,而跟帶寬關(guān)系不大。

圖2　偶極子天線的結(jié)構(gòu)演變

圖3　折疊偶極子天線的構(gòu)造

三、電路設(shè)計(jì)

折疊偶極子天線終端電阻的取值是非常臨界的。這個(gè)值取決于饋點(diǎn)的阻抗,通常還要大些。比如,如果使用300Ω傳輸線(或者使用75Ω的同軸電纜, 4: 1 不平衡變壓器) ,合適的值是390 Ω。假如使用450Ω的傳輸線,正確的值是500Ω左右。如果使用600 Ω 的傳輸線, 650 Ω 的值是最佳的。傳輸線可以是300～600Ω 的扁饋線。由于扁饋線會(huì)被附近的金屬物影響(落水管、金屬窗框等等) ,更好的傳輸線是同軸電纜,并用不平衡變壓器做阻抗匹配。折疊偶極子天線的推薦值是使用75Ω 的同軸電纜(RG - 59或RG - 6,同軸電纜的連接器最好選用PL259) 、普通的4: 1不平衡變壓器和390Ω的終端電阻。終端電阻一定不能選用線繞型的,因?yàn)樽愿袝?huì)很大程度上影響到效能,一個(gè)1 /2 ～1 W的碳質(zhì)電阻就非常好。

四、參數(shù)計(jì)算

如果最低的工作頻率為fmin (單位是kHz) ,長(zhǎng)度單位用m表示,則天線的幾何參數(shù)計(jì)算公式為 :從一端到另一端的長(zhǎng)度: L1 = (15240 / fmin ) ×3. 28 (m)
兩條線體的間距:
L2 = (914. 4 / fmin) ×3. 28 (m)
如果是非方向性的設(shè)計(jì),折疊偶極子天線斜拉角度是30°,但是在20°～40°范圍內(nèi)是可接受的。

五、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

用不平衡變壓器可將不平衡端口轉(zhuǎn)化為平衡天線,通過選擇適當(dāng)?shù)腖1、L2、L3 能獲得所需的阻抗。由HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可測(cè)定此折疊偶極子天線的不同原型的輸入阻抗Xin模擬值和測(cè)量值。圖4為Rin和Xin與L1 的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)L1 由24 mm變化到52 mm (工作頻率為2. 45 GHz時(shí)相應(yīng)波長(zhǎng)由0. 196λ0變化到0. 425λ0 )時(shí), Rin和Xin也隨之增大。圖5為以L2為參數(shù)的阻抗響應(yīng), Rin和Xin仍隨L2 的增大而增大,但曲線走勢(shì)略有不同。圖6為以L3 為參數(shù)的阻抗響應(yīng),可見L3 增大時(shí), Rin幾乎不變,但Xin急劇減小。折疊偶極子天線的輻射參數(shù)和偶極子天線相近,可由IE3D軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

圖4　L1 為參數(shù)時(shí)天線輸入阻抗

圖5　L2 為參數(shù)時(shí)天線輸入阻抗

圖6　L3 為參數(shù)時(shí)天線輸入阻抗

通過實(shí)驗(yàn),此折疊偶極子天線的返回?fù)p耗的仿真和測(cè)量結(jié)果有很好的一致性,見圖7。故以上所設(shè)計(jì)折疊偶極子天線的特性對(duì)設(shè)計(jì)特殊阻抗的天線非常有用。

圖7　折疊偶極子天線返回?fù)p耗