折叠偶极子天线的设计

一、引　言
 
　　在RF装置中,当工作频率增加到微波区域的时候,除了射频电路的设计外,一个好的RFID标签还要有好的天线设计。在选择天线时,需考虑的因素包括天线的类型、天线的阻抗、贴标签物品的RF性能、围绕贴标签物品的其它物品的RF性能。

此外,天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和ASIC匹配,天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片,这就需要仔细地设计天线及其自由空间,让它和相连的标签芯片有最好的匹配。而折叠偶极子天线能通过选择合适的几何参数来获得所需的输入阻抗。端接的、倾斜的、折叠的偶极子天线性能非常出色,与半波偶极子天线相比尺寸要小很多,具有增益高、频率覆盖宽和噪声低的优点,若配合铜焊电气端子和不平衡变压器,能最大限度地提升增益、阻抗匹配和带宽。

二、折叠偶极子天线原理
 
　　折叠短片( Shorted - Patch)天线的结构演变见图1。称之为折叠短片S - P结构是因为这种天线由传统的微带片发展而来。众所周知,传统的矩形片天线在基本工作模式下天线长度是λ0/2,如图1( a) 所示。考虑到围绕片中间的电场弱化,我们能利用金属屏蔽缩短中线周围片块而不明显改变天线固有频率,由此得到长度为λ0/4的S-P天线,如图1 ( b) 所示。接着我们反向折叠S-P天线短片块和接地面为一体,如图1( c)所示。注意到折叠S-P天线的整个电气长度变化不大,但天线实际长度将减半为λ0/8。最后,我们在右边新增加一块接地面(原始的接地面已经变为天线上片块)并且压缩折叠片块为一体,形成如图1( d)的标准折叠短片S-P天线,该折叠天线能用不同方法集成到射频电
路板上。

图1　折叠天线的结构演变

折叠偶极子天线的结构演变见图2,折叠偶极子天线的构造见图3。可见两个折叠线取代了一般偶极子天线的直形线,跟以往的折叠偶极子天线不同,该天线不是一个闭合环,它的折叠末端仍是开放的。折叠偶极子天线本质上是一个两端折叠后用一个无感电阻连接的环型天线。折叠偶极子天线具有5: 1或6: 1的频率特征,这意味着它可以有效工作在设计的最低频率到5或6倍的频率间。例如,折叠偶极子天线的设计最佳频率在4. 9 MHz,但可以工作在一直到25～29 MHz的频率范围。此种开放末端结构提供了阻抗调整的巨大空间,特别是输入阻抗Xin。需设计的变化阻抗由天线的几何参数L1、L2、L3 来确定,而跟带宽关系不大。

图2　偶极子天线的结构演变

图3　折叠偶极子天线的构造

三、电路设计

折叠偶极子天线终端电阻的取值是非常临界的。这个值取决于馈点的阻抗,通常还要大些。比如,如果使用300Ω传输线(或者使用75Ω的同轴电缆, 4: 1 不平衡变压器) ,合适的值是390 Ω。假如使用450Ω的传输线,正确的值是500Ω左右。如果使用600 Ω 的传输线, 650 Ω 的值是最佳的。传输线可以是300～600Ω 的扁馈线。由于扁馈线会被附近的金属物影响(落水管、金属窗框等等) ,更好的传输线是同轴电缆,并用不平衡变压器做阻抗匹配。折叠偶极子天线的推荐值是使用75Ω 的同轴电缆(RG - 59或RG - 6,同轴电缆的连接器最好选用PL259) 、普通的4: 1不平衡变压器和390Ω的终端电阻。终端电阻一定不能选用线绕型的,因为自感会很大程度上影响到效能,一个1 /2 ～1 W的碳质电阻就非常好。

四、参数计算

如果最低的工作频率为fmin (单位是kHz) ,长度单位用m表示,则天线的几何参数计算公式为 :从一端到另一端的长度: L1 = (15240 / fmin ) ×3. 28 (m)
两条线体的间距:
L2 = (914. 4 / fmin) ×3. 28 (m)
如果是非方向性的设计,折叠偶极子天线斜拉角度是30°,但是在20°～40°范围内是可接受的。

五、实验测试

用不平衡变压器可将不平衡端口转化为平衡天线,通过选择适当的L1、L2、L3 能获得所需的阻抗。由HP8753D矢量网络分析仪可测定此折叠偶极子天线的不同原型的输入阻抗Xin模拟值和测量值。图4为Rin和Xin与L1 的函数关系。当L1 由24 mm变化到52 mm (工作频率为2. 45 GHz时相应波长由0. 196λ0变化到0. 425λ0 )时, Rin和Xin也随之增大。图5为以L2为参数的阻抗响应, Rin和Xin仍随L2 的增大而增大,但曲线走势略有不同。图6为以L3 为参数的阻抗响应,可见L3 增大时, Rin几乎不变,但Xin急剧减小。折叠偶极子天线的辐射参数和偶极子天线相近,可由IE3D软件进行设计和
分析。

图4　L1 为参数时天线输入阻抗

图5　L2 为参数时天线输入阻抗

图6　L3 为参数时天线输入阻抗

通过实验,此折叠偶极子天线的返回损耗的仿真和测量结果有很好的一致性,见图7。故以上所设计折叠偶极子天线的特性对设计特殊阻抗的天线非常有用。

图7　折叠偶极子天线返回损耗