一种基于高阻表面的2.45 GHz频段读写器天线

摘 要： 2.45 GHz频段是RFID常用的频段之一。为了实现一款该频段的性能良好的天线，在改善缝隙耦合馈电天线结构的基础上，在天线设计中融入高阻表面型微波光子晶体结构。新颖的天线结构及有效的设计思路，使天线在保持高增益的情况下，在更宽的频带上具有更好的稳定性，同时也减小了天线的尺寸，使天线整体性能更加完善。
关键词： 圆极化天线； 缝隙耦合； 高阻表面

　微带天线以其体积小、低剖面、易加工以及易与电路集成等诸多优点在通信等领域得到广泛的应用。目前，高性能圆极化微带天线的应用愈加广泛。
　随着RFID技术的发展，对读写器天线，尤其是微带天线的尺寸、性能有了更高的要求。因此，国内外的专家学者对微带天线的小型化、宽频带、高增益等技术做了广泛而深入的研究。但是尺寸的过分缩减会引起天线其他性能的急剧劣化，其中对带宽与增益的影响尤为明显，因此各个参数与性能之间需折中考虑。
　本文设计了一款采用缝隙耦合馈电的2.45 GHz读写器圆极化微带天线，通过对贴片边缘进行开槽，改善耦合缝隙，并融入高阻表面微波光子晶体结构，最终使天线的带宽、增益、尺寸等参数性能均有所改善。这是一款性能良好的天线。新颖的天线结构及有效的设计思路对于读写器天线的设计具有实际的指导意义。
1 缝隙耦合馈电结构及高阻表面理论模型
　微带天线馈电除了微带线馈电和同轴线馈电两种基本方式外，还包括临近耦合馈电、缝隙耦合馈电、共面波导馈电等一些新技术[1]。综合比较，缝隙耦合馈电天线具有低剖面结构，易与微波电路连接，容易调节阻抗匹配，而且容易得到大带宽[2]，因此适用于高性能天线的设计。
　高阻抗电磁表面是电磁带隙（EBG)结构的一种，由金属和介质材料组成，它不仅和其他类型(如介质型和金属型)EBG结构一样具有抑制表面波的作用，还能在一定的频带范围内实现同相反射，可以代替金属反射面作为天线的接地板，从而降低天线的轮廓[3]。图1是一种最常见的高阻反射面。
　高阻电磁表面由于单元尺寸远小于工作波长，所以电磁特性可以采用集总电路组件——电容和电感来进行描述。相邻的金属单元之间产生电容，连接它们的导电通路产生电感，其特性就如同并联LC谐振电路。
　根据等效表面阻抗模型，高阻表面单元的谐振频率和带宽为：

2 天线设计结构与性能分析
　本文从缝隙耦合微带天线理论模型出发，天线采用单个馈源激励,调节阻抗匹配线接入馈线双臂的位置，使馈线双臂的长度相差?姿/4，使两个端口的激励等幅而相位差为90°，从而实现圆极化。可以根据实际需要，通过调整阻抗匹配线的弯折方向实现左旋或右旋圆极化，馈电方式简单有效。辐射层介质为空气，其介电常数低而厚度较大，在提高辐射特性的同时可展宽天线频带。馈线层介质为聚乙烯，其介电常数较高而厚度较薄，在减小寄生辐射的同时可获得良好的传输性能。
2.1 天线耦合缝隙设计
　耦合缝隙的形状及参数影响电磁耦合量，从而影响天线的带宽。耦合量对谐振频率影响很大，充分的耦合会显著降低谐振频率。因此，选择合适的缝隙有利于天线的宽频带设计和小型化设计。缝隙的宽度对耦合量影响不是很大，相比较来说缝隙的长度对耦合量的影响比较大。缝隙太窄，导致耦合量不够；缝隙太宽，又会影响方向图的前后比从而减小辐射效率。缝隙长度增长，会使谐振频率降低，谐振阻抗增加，这也说明缝隙长度越长，贴片与馈线之间能量耦合能力越强。
　结合常用的“工”型、“十”型、“H”型耦合缝隙的形式，本文设计了“国”字型耦合缝隙。“国”字型耦合缝隙结构紧凑而且可调参数更多。外围缝隙宽度较窄而内侧缝隙宽度较宽，所以耦合缝隙结构紧凑但是又可以保证足够的耦合量。因此在提高天线带宽的情况下，有利于天线的小型化设计。
2.2 天线加载高阻表面的设计
　为了提高天线的性能以及减小后向辐射，缝隙耦合微带天线一般在天线下方放置金属反射面，金属反射面与天线之间需要保持?姿/4的高度，天线的剖面尺寸较大。在特定的频段，高阻表面对于入射的平面电磁波具有同相反射的特性,天线和高阻表面之间的距离可以几乎为零，因此应用高阻表面是实现低剖面天线的一种极好的选择。
　实际应用中，高阻表面必须有足够的单元数，否则应用效果不明显[4]。如果在2.45 GHz频段采用图1所示的结构设计高阻表面，单元尺寸过大，在本文天线的馈线层大小的面积上，可容纳的单元数不超过4个。因此，必须实现高阻表面的小型化设计。

　从高阻表面等效电路模型来看，降低带隙频率可通过增大等效电感L和电容C来实现。电感由电磁表面的材料决定，当制备材料确定后，电感就确定了。而影响电容的因素则很多，可以通过改变周期单元的结构来改变电容的量值[5]。由此本文设计了开缝嵌入式结构，贴片单元分支线线宽和分支线间距均为0.4 mm，单元边长为13 mm，衬底材料为Rogers RO3210(tm)，先后设计了L缝、F缝嵌入式结构，如图2所示。

参考文献[6]设计的交互嵌入式结构(如图2(a)所示)相比图1所示结构，可以形成更强的耦合电容，减小单元尺寸超过60％。但是随着迭代次数的增加，减小单元尺寸效果微乎其微，没有充分利用有限的贴片面积。研究发现，金属贴片开缝后，表面电流流经的路径变长，贴片等效的电尺寸变大，从而增强了单元之间的耦合电容，因此开缝结构与交互嵌入式结构的设计思路完全相同。在交互嵌入式结构的基础上，结合开缝技术可以更有效地减小单元尺寸，从而更有效地利用贴片面积。本文设计的F缝嵌入式结构可减小单元尺寸超过70％，在实现高阻面小型化设计中效果显著。
　如图3(a)所示，曲线1为未开缝的嵌入式结构对应的反射相位曲线。在保持L型缝隙长度及宽度不变的情况下，数字递增的反射相位变化曲线，对应着L型缝隙由靠近贴片中心到靠近贴片边缘的变化过程。因此，为有效减小单元尺寸，L型缝隙可以开在贴片最外侧。F型缝隙由L型缝隙和直线型缝隙组成。保持L型缝隙开在贴片外侧，调节F型缝隙的直线缝位置，反射相位的影响如图3(b)所示。直线缝越靠近贴片中心，对谐振频率影响越大。F型缝隙可以有效利用单元的有效面积，最大限度地减小单元尺寸。其中，缝隙越宽、越长，谐振频率就越低，但是缝隙长度对谐振频率的影响最大。

　采用图2(c)所示的单元结构组成高阻反射面，在馈线层大小的面积上，可容纳的单元数为42个，添加高阻表面后，天线的仿真结果如图4、图5、图6所示。

添加高阻表面后，天线的增益增加了2.5 dBi，天线的后瓣减小了7.4 dB，但是天线的带宽却明显减小。由于高阻表面是谐振式电磁带隙结构，所以高阻表面的同相反射的频带范围较窄。尤其是高阻表面的单元尺寸的减小，导致了高阻表面带隙宽度进一步减小，因为在改善单元尺寸的过程中，利用单元形状的变化来增大耦合电容，从而实现了小尺寸设计，但是电感量没有变化。由公式(1)可知，尺寸减小的同时带宽也在减小。因此天线的带宽需要进一步展宽。
2.3 天线频带展宽的设计
　为了提高带隙宽度，可以采用低介电常数基板、高磁导率基板和提高基板厚度来实现。然而采用低介电常数的基板和提高基板厚度不利于天线的小型化设计，并且只有特殊材料的磁导率大于1,实际的应用受到限制。
　在矩形贴片的适当位置引入凹槽，改变贴片上的电流分布，天线可以获得双频带的特性。通过调整槽的尺寸，使两个谐振频率适当接近，便形成频带大大展宽的双峰谐振电路。贴片边缘的电流分布密集，在边缘开槽，开槽尺寸小而扩展带宽显著。通过调整槽的尺寸，可以调节天线谐振参数。
3 天线设计与应用
　本文所设计的天线结构如图7所示。

仿真结构中，高阻反射面紧贴馈线层放置，文中为了展示天线的结构，高阻反射面才适当下移一段高度。由图8、图9、图10所示的仿真结果可以看出，开槽前驻波比小于2时的工作带宽约为300 MHz，开槽后驻波比小于2时的工作带宽约为570 MHz，开槽后驻波在工作频带内更加平坦，可见开槽后天线带宽得到很大提高。开槽前、后天线增益变化不大，约为7.57 dBi。

　开槽贴片的同时应用高阻面,天线增益增加了2.36 dBi,天线的后瓣减小了10.6 dB，天线谐振频率略微有所升高。笔者实际制作了天线，高阻反射面紧贴馈线而放置，高阻面的介质厚度为2 mm，因此剖面厚度为2 mm，与金属反射面的?姿/4的剖面厚度相比，剖面尺寸相当小。通过实测，天线驻波比小于2时的工作带宽约为550 MHz，对实际标签的读取距离略低于应用金属反射面的效果。分析发现，主要是实物高阻表面的带宽不够理想。因此，如何在实际应用中进一步提高高阻面的带隙宽度是下一步研究的方向。综合来看，本文在改善缝隙耦合馈电天线结构的基础上，融合高阻反射面，实现了天线的小型化、宽频带、高增益，从而实现了性能优化的天线。
本文从缝隙耦合微带天线的理论模型出发，通过改进天线的结构并引入高阻表面，实现了天线的小型化、宽频带和高增益，实现了一款性能优越的2.45 GHz频段RFID读写器的微带天线。本文所提出的天线结构和设计思路对于读写器天线设计来说具有实际的指导意义。
参考文献
[1] TARGPMSLO S D, WATERHOUSE R B, POZAR D M. Design of wide-band aperture stacked patch microstrip antennas[J]. IEEE Trans. on Antenna and Propagation,1998: AP-461:245-1251.
[2] KOSSEL M, BEMEDOCLTER H, BAECHTOLD W. Circular polarized aperture coupled patch antennas for an RFID system in the 2.4 GHz ISM Band[J]. 0-7803-5454-0/99/1999 IEEE.
[3] SIEVENPIPER D, ZHANG Li Jun, ROMULO F, et al. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band[J]. IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques. 1999,47(11):2059-2074.
[4] 付云起, 袁乃昌, 温熙森. 微波光子晶体天线技术[M].北京：国防工业出版社, 2006.
[5] ABEDIN M F, ALI M. Effects of a smaller unit cell planar EBG structure on the mutual coupling of a printed dipole array[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Let-ters, 2005,4:274-276.
[6] 闫敦豹. 人工磁导体结构及其应用研究[D]. 长沙：国防科学技术大学博士学位论文,2006.