双极化缝隙耦合的微带天线怎么实现？

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。


图1  天线的侧视图

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。


图2  天线的辐射贴片和耦合缝隙图

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。


图3  天线的馈电

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。


图4  仿真和实测的回波损耗S11

图5  仿真和实测的回波损耗S22

图6  仿真和实测的隔离度

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。


（a）端口1的x-z面

（b）端口1的y-z面

（c）端口2的x-z面

（d）端口2的y-z面
图7  端口1和2两主平面的辐射方向图

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。