一种UHF频段高极化隔离度双极化RFID读写器天线设计

1 引言

近年来，随着RFID(射频识别)技术快速发展，该技术已广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪和资产管理等应用领域。当前，各国使用的频段各不相同，在北美和南美，无源RFID频段为902MHz到928MHz。许多工作者在缝隙耦合、高隔离度和双极化等方面做了很多研究工作，比如提出了一种使用缝隙耦合的微带天线，并得到了双极化和二端口间的高隔离度，不过它的工作频率是5.8GHz。提到的天线，虽然结构简单，中心工作频率在 911MHz，但它的阻抗带宽相对较窄。也有在865MHz到928MHz这样宽频带工作的RFID天线，不过该天线只适合用作标签天线。

对于微带天线，相比于其他馈电机制，缝隙耦合具有更好的设计灵活性。双极化工作的微带天线也非常适合于RFID应用。因此，在本文中，我们提出了一种适合于北美和南美RFID应用的双极化缝隙耦合的微带天线。该微带天线得到了较高的隔离度;天线的增益大约为7.5dBi;带宽在VSWR=1.5时已经覆盖了902MHz-928MHz频段。

2 天线设计

本文主要设计了一个缝隙耦合的微带天线。天线分为三层：顶层是介质层，介质层上是辐射贴片;中间一层是空气层;底层也是介质层，介质层上是接地层，介质层下是馈电。它们的参数设置如下：介质层厚度都为1.6mm;它们的相对介电常数都为4.4;为了增加天线的带宽，这里选择空气层的厚度为25mm。天线的侧视图如图1所示。

天线设计 src="http://www.edatop.com/uploadfile/2015/0107/20150107085124201.jpg">

本设计采用单贴片，为了使天线谐振在915MHz，长方形贴片的长度选择为113mm，宽度选择为108mm。辐射贴片如图2中的虚线框所示。

该天线的馈电方式采用缝隙耦合。在接地层中挖出两个H形的缝隙。H形缝隙的宽度都相同(H形边臂和中间臂宽度分别为1mm和0.5mm);缝隙边臂和中间臂的长度和宽度如图2所示(单位都为mm)。以辐射贴片的中心线确定一坐标(x轴和y轴)，则从图中可以看出，H形缝隙是关于y轴对称的;H形缝隙与x轴的相对位置也在图2中标出。利用缝隙耦合，在端口1和端口2之间可以得到很高的隔离度。

在天线的底层下是馈电层，在本设计中馈电层是由50om的微带线组成，微带线的宽度为3.1mm。馈电层的俯视图如图3所示。图中的t1=8.05mm，t2=11.95mm。

3 结果

基于仿真结果，我们加工了一个天线实物，并利用网络分析仪得到了测试结果。通过仿真，我们得到了较好的仿真结果：回波损耗S11和S22的带宽(14dB 时)分别为44.51MHz(898.72MHz-943.23MHz)和66.24MHz(888.73MHz-954.97MHz);而且在整个带宽内，天线端口1和端口2的隔离度好于-34dB。实测结果中，回波损耗S11和S22的带宽(14dB时)分别为63MHz(897.5MHz- 960.5MHz)和32.38MHz(896.37MHz-928.75MHz);在整个带宽内，天线端口1和端口2的隔离度好于-33dB。在图4、图5和图6中分别示出了S11、S22和隔离度的仿真结果和实测结果。

从图4、图5和图6中可以看出，回波损耗S11和隔离度的仿真结果和实测结果较为符合，而回波损耗S22的实测结果与仿真结果相差较大，不过其仿真结果和实测结果都已经满足北美应用的带宽要求(902MHz-928MHz)。

天线的辐射方向图如图7所示。图7中示出了915MHz时端口1和端口2的两个主平面辐射方向图，可以看出得到了很好的辐射特性，交叉极化值也很小;天线增益大约为7.5dBi;仿真的天线效率大约为90%。通过端口1和端口2激励，可以得到双极化。

4 结论

在本文中，利用缝隙耦合实现天线馈电，得到双极化的微带天线。基于仿真结果，我们加工了天线实物，并测试了天线。天线中心频率为915MHz，带宽在 VSWR=1.5时能够覆盖902MHz-928MHz频段;同时天线在工作频段内具有较高的隔离度、良好的增益特性和交叉极化特性。此天线适合于 RFID读写器应用。