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RFID小型圆极化天线应该怎样来设计

射频识别(Radio Frequency of Identificatio,RFID)是一种应用射频技巧的非打仗自动识别技巧,具有传输速度快、防矛盾触犯、大年夜批量读取、运动历程读取等上风,是以,RFID技巧在物流与供应链治理、临盆治理与节制、防伪与安然节制、交通治理与节制等各领域具有重大年夜的利用潜力。今朝,射频识别技巧的事情频段包括低频、高频、超高频及微波段,此中以高频和超高频的利用最为广泛。

RFID系统主要由读写器(target)、应答器(RFID标签)和后台谋略机组成,此中,读写器实现对标签的数据读写和存储,由节制单元、高频通信模块和天线组成,标签主要由一块集成电路芯片及外接天线组成,此中电路芯片平日包孕射频前端、逻辑节制、存储器等电路。标签按照供电道理可分为有源(acTIve)标签、半有源(semiacTIve)标签和无源(passive)标签,无源标签由于资源低、体积小而备受青睐。

RFID系统的基础事情道理是:标签进入读写器发射射频场后,将天线得到的感应电流经升压电路后作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流畅过射频前端电路变为数字旌旗灯号送入逻辑节制电路进行处置惩罚,必要回覆的信息则从标签存储器发出,经逻辑节制电路送回射频前端电路,着末经由过程天线发还读写器。

天线的目标是传输最大年夜的能量收支标签芯片,这必要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配,当事情频率增添到微波区域的时刻,天线与标签芯片之间的匹配问题变得加倍严酷。不停以来,标签天线的开拓基于的是50或者75欧姆输入阻抗,而在RFID利用中,芯片的输入阻抗可能是随意率性值,并且很难在事情状态下准确测试,缺少准确的参数,天线的设计难以达到最佳。

近年来RFID技巧的利用徐徐广泛,同时也倍受注重。分外是UHF频段的RFID系统,因为其传输间隔远、传输速度高,受到了更多地关注。范例的RFID系统由RFID涉猎器和标签两部分组成,RFID无源标签寄托RFID涉猎器发射的电磁旌旗灯号供电,并经由过程反射调制电磁旌旗灯号与涉猎器通信。是以,RFID标签天线设计的好坏对其系统事情机能有关键的影响。

常见的射频识别涉猎器天线有折合振子天线、分形天线、微带天线以及轴向模螺旋天线。因为折合振子天线和分形天线一样平常为线极化天线,难以满意涉猎器对各偏向电子标签的识别要求,以是在较多场合不适用;而微带天线因为其面积尺寸过大年夜,在小型化的涉猎器手持机上的应用受到了限定;轴向模螺旋天线同样因轴向高度过高,在实际应用中也受到了限定。是以,若何设计出一种小尺寸、低剖面、高机能的圆极化射频识别天线成为了关注的焦点。(短波天线的制作措施)

四臂螺旋天线因为其圆极化机能出色,被广泛利用于GPS领域。随后颠末进一步成长,Wang—lk Son等人将四臂螺旋天线利用至RFID,并使用平面倒F天线代替了传统的单极子天线作为四臂螺旋天线的天线臂,如图1所示,实现了优越的效果。文中使用该要领,设计了一种在尺寸和机能上更具上风的RFID涉猎器天线。

图1、倒F折叠四臂螺旋天线

1、小型化四臂螺旋天线的设计

1.1、四臂螺旋天线的设计

文中设计的倒F四臂螺旋天线的布局如图2所示。天线由4个完全相同的倒F天线组成,水平部分印制在介电常数为9.6,尺寸为60 mm×60 mm,厚度为1 mm的矩形微波复合介质板上,垂直部分印制在相同的4个厚度为1 mm的FR4小介质板上。4个天线馈电为等幅馈电,相位按逆时针相位依次滞后90°,形成右手圆极化。

图2、倒F四臂螺旋天线布局示意图

因为螺旋天线的4个臂相距较近,相对两臂之间的间隔约为0.18 λ,天线4个臂之间的耦合较强。是以,在4个零丁端口进行匹配时,不能按传统的措施,将每个端口零丁匹配,再加功分收集,则应充分斟酌4个臂之间的耦合。使用Ansys HFSS进行仿真可发明,位置相对的臂之间的耦合要弘远年夜于相邻臂之间的耦合,如图3所示。是由于相对两个臂上的电流互相平行,以是互相影响过大年夜,而相邻臂上的大年夜部分电流互相垂直,则影响较小,因而在必然范围内只斟酌相对臂之间的耦合。假设4个天线臂端口按逆时针分手为端口1、端口2、端口3和端口4,反射系数分手为Γ11、Γ22、Γ33和Γ44,相对天线臂之间的耦合系数为M13和M24,因为天线两对臂之间的对称性,以是只需阐发天线臂1和3之间的关系。假设端口1处的相位为0,能量从端口1传输到端口3孕育发生的相位差为θ,而端口1和端口3的馈电相位相差180°,则从端口1耦合到端口3的能量在天线臂3端口处孕育发生的相位为-180°-θ,因为天线间距较小,θ较小,以是可觉得端口1耦合到端口3的能量在端口3处的相位为-180°。端口3的馈电相位为-180°,则其反射能量的相位为180°。在端口3处看,从端口送出的能量包孕端口3反射的能量和端口1耦合的能量,上文已得出反射能量和耦合能量在端口3处的相位分手为180°和-180°,以是当反射的能量和耦合的能量大年夜小相等时,其等幅反相互相抵消,达到最佳匹配效果,即Γ33=M13,反之满意Γ11=M13时,端口1处达到最佳匹配。同理可阐发轫口2和端口4。

图3、天线的S参数仿真结果

1.2、馈电收集的设计

一样平常四臂螺旋天线的馈电要领有两种,自相移馈电和功分收集馈电。自相移形式因为其相位不易节制,且4个天线臂布局孕育发生差异,偏向图也略有变更,是以选择采纳功分收集来实现馈电。威尔金森形式的功分器尺寸较大年夜,且隔离电阻会导致损耗增添,是以该处采纳简单的T型功分器。图4为功分收集的布局图。

图4、T型功散播局图

2、天线的仿真与实测结果

图5给出了仿真和实测的驻波结果比较图,由图中可看出,仿真和实测结果吻合优越,天线在海内UHF。频段920~925 MHz内的实测驻波在1.2以下,且在908~928 MHz内的驻波均在1.5以下,可满意实际利用。图6给出了天线增益和轴比随频率的变更,可看出天线的峰值增益为3.5 dB,轴比在带内《2 dB。图7和图8给出了天线在XZ和YZ面的归一化偏向图,从图中可看出天线的3 dB波束宽度》120°,前后比》15dB。图9给出了天线的什物照片,天线的整体尺寸为6 mln《60 mm《6 mm,与传统RFID天线比拟尺寸较小。综上所述,该天线机能良好,满意今朝UHF频段RFID系统对付天线的要求。

图5、天线驻波仿真和测试结果图

图6、天线的增益和轴比随频率的变更

图7、天线XZ和YZ面二维归一化偏向图

图8、天线什物图

3、停止语

文中运用新的布局和耦合匹配理论,设计了一种小型圆极化四臂螺旋天线。该天线可利用于UHF频段的射频识别系统中。与传统的射频识别天线比拟,其具有尺寸小、剖面低、圆极化和宽波束等优点。经制作测试,实测与仿真结果吻合优越。

责任编辑:ct

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