2. 3 　偶極子天線

　　在遠距離耦合的RFID 應用系統中,最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線) . 偶極子天線及其演化形式如圖4 所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成,信號從中間的兩個端點饋入,在偶極子的兩臂上?
將產生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發起電磁場.利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程:

　　式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數, r 是振子中點到觀察點的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個振子臂的長度. 同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11 、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數 .

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　　圖4 　偶極子天線

　　(a) 偶極子天線; (b) 折合振子天線;(c) 變形偶極子天線

　　當單個振子臂的長度l =λ/ 4 時(半波振子) ,輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個純電阻. 在忽略天線粗細的橫向影響下,簡單的偶極子天線設計可以取振子的長度l 為λ/ 4 的整數倍,如工作頻率為2. 45 GHz 的半波偶極子天線,其長度約為6 cm.當要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時,可采用圖4b的折合振子.

　　3 　RFID 射頻天線的設計

　　從RFID 技術原理和RFID 天線類型介紹上看,RFID 具體應用的關鍵在于RFID 天線的特點和性能.目前線圈型天線的實現技術很成熟,雖然都已廣泛地應用在如身份識別、貨物標簽等RFID 應用系統中,但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應用場合,采用線圈型天線則難以設計實現相應的性能指標. 同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實現工藝較復雜,成本較高,一時還無法被低成本的RFID 應用系統所選擇. 偶極子天線具有輻射能力較強、制造簡單和成本低等優點,且可以設計成適用于全方向通訊的RFID 應用系統,因此,下面我們來具體設計一個工作于2. 45 GHz (國際工業醫療研究自由頻段) 的RFID 偶極子天線.

　　半波偶極子天線模型如圖4a 所示. 天線采用銅材料(電導率:5.8e7 s/ m ,磁導率:1) ,位于充滿空氣的立方體中心. 在立方體外表面設定輻射吸收邊界. 輸入信號由天線中心處饋入,也就是RFID 芯片的所在位置. 對于2. 45 GHz 的工作頻率其半波長度約為61mm ,設偶極子天線臂寬w 為1 mm ,且無限薄,由于天線臂寬的影響,要求實際的半波偶極子天線長度為57mm. 在Ansoft HFSS 工具平臺上, 采用有限元算法對該天線進行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5a 所示,輻射場E 面(即最大輻射方向和電場矢量所在的平面) 方向圖如圖5b 所示. 天線輸入阻抗約為72 Ω ,電壓駐波比(VSWR) 小于2.0 時的阻抗帶寬為14. 3 % ,天線增益為1.8.

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　　圖5 　偶極子天線

　　(a) 回波損耗S11 ; (b) 輻射方向圖

　　從圖5b 可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無輻射. 如果此時讀寫器處于該方向上,應答器將不會做出任何反應. 為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點,可以對天線做適當的變形,如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長λ/ 4 成圖4c 所示. 這樣天線總長度修改為(57. 0 mm + 2 ×28. 5 mm) ,天線臂寬仍然為1 mm. 天線臂延長λ/ 4 后,整個天線諧振于1 個波長,而非原來的半個波長. 這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計算結果約為2 kΩ. 其輸入回波損耗S11如圖6a 所示. 圖6b 為E 面(天線平面) 上的輻射場方向圖,其中實線為仿真結果,黑點為實際樣品測量數據,兩者結果較為吻合說明了該設計是正確的. 從圖6b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經近似為全方向的了. 電壓駐波比( VSWR)小于2. 0 時的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對于大部分RFID 應用系統,該偶極子天線可以滿足要求.

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　　圖6 　變形偶極子天線

　　(a) 回波損耗S11 ; (b) 輻射方向圖

　　4 　結束語

　　總之,RFID 的實際應用關鍵在于天線設計上,特別是對于具有非常大市場容量的商品標簽來說,要求RFID 能夠實現全方向的無線數據通訊,且還要價格低廉、體積小. 因此,我們所設計的上述這種全向型偶極子天線的結構簡單、易于批量加工制造,是可以滿足實際需要的. 通過對設計出來實際樣品的進行參數測試,測試結果與我們的設計預期結果是一致.

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