引言

RFID技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，可達(dá)到識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的,。與磁卡和IC卡等接觸式識(shí)別技術(shù)不同,，RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間無(wú)需物理接觸就可完成識(shí)別，屬于非接觸識(shí)別,。RFID技術(shù)具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),，它可更廣泛地應(yīng)用于交通運(yùn)輸、醫(yī)療和防偽等領(lǐng)域中,。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,，鐵道部已投入大量資金用于建立全路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工程建設(shè)中，目標(biāo)是在所有機(jī)車(chē)上安裝電子標(biāo)簽,，在所有區(qū)段站,、編組站、大型貨運(yùn)站安置地面讀寫(xiě)裝置,，對(duì)運(yùn)行的列車(chē)以及車(chē)輛信息進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別,。鐵路射頻車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)成為鐵路信息化建設(shè)的一個(gè)重要組成部分。TKCG-08RFID列車(chē)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)正是在這一背景下進(jìn)行研發(fā)的,，它利用微波射頻通信技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)車(chē)號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。其數(shù)據(jù)通信方案如圖1所示,。

　　數(shù)據(jù)傳輸是RFID系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié),。射頻信號(hào)通過(guò)閱讀器天線(xiàn)和標(biāo)簽天線(xiàn)的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，因此,，天線(xiàn)在整個(gè)RFID系統(tǒng)中扮演著重要角色,，一方面天線(xiàn)的好壞決定了系統(tǒng)的通信質(zhì)量，另一方面天線(xiàn)決定了系統(tǒng)的通信距離,。

根據(jù)工作頻段不同,，在RFID產(chǎn)品中使用不同類(lèi)型的天線(xiàn)，可選擇的天線(xiàn)種類(lèi)很多,。在選擇的時(shí)候,，天線(xiàn)大小、成本,、性能都是非常重要的因素,。三種最常見(jiàn)的短距天線(xiàn)設(shè)備是PCB微帶天線(xiàn),、芯片天線(xiàn)和有一個(gè)連接器的鞭狀天線(xiàn)。TKCG-08地鐵列車(chē)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用主要是將閱讀器安裝在線(xiàn)路軌道中間,，射頻卡安裝在車(chē)體下部中央相應(yīng)的位置,，如圖2所示。當(dāng)列車(chē)以一定速度通過(guò)閱讀器時(shí),，閱讀器識(shí)別出射頻卡相應(yīng)的卡號(hào),，進(jìn)而得到列車(chē)車(chē)號(hào)信息。由于射頻卡體積有限,，而且需要控制成本,，微帶天線(xiàn)具有低成本、高性能,、小尺寸等優(yōu)勢(shì),，因此選擇微帶天線(xiàn)作為本系統(tǒng)使用的天線(xiàn)形式。

　　微帶天線(xiàn)

微帶天線(xiàn)是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線(xiàn),。它利用微帶線(xiàn),、同軸線(xiàn)等饋線(xiàn)饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng),，并通過(guò)貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射,，因此微帶天線(xiàn)可看作是一種縫隙天線(xiàn)，如圖3所示,。和常用的微波天線(xiàn)相比,，它有如下一些優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕,、成本低,，饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線(xiàn)結(jié)構(gòu)一起制成,，適用于用印刷電路技術(shù)大批量生產(chǎn),，能與有源器件和電路集成為單一的模件，容易獲得圓極化,，容易實(shí)現(xiàn)雙頻,、多頻段工作等。

　　根據(jù)天線(xiàn)輻射特性的需要,，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀,。通常貼片天線(xiàn)的輻射導(dǎo)體與金屬底板距離為幾十分之一波長(zhǎng)。假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒(méi)有變化,，僅沿約為半波長(zhǎng)的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化,，則微帶貼片天線(xiàn)的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開(kāi)路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的，輻射方向基本確定,。

微帶天線(xiàn)利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線(xiàn)良好匹配,，且體積小剖面低,、電性能優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)了一維小型化,?；诖诵⌒突炀€(xiàn)采用微帶天線(xiàn)形式。而微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化的饋電方法主要有: 雙饋點(diǎn)饋電和單饋點(diǎn)饋電,。其中每一種饋電方法又分別可采用直接饋電,、縫隙耦合饋電、探針饋電等多種饋電方式,。直接饋電的單饋點(diǎn)法不需設(shè)計(jì)任何復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射,，是實(shí)現(xiàn)圓極化的簡(jiǎn)易方法，所以一般采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電,。

微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)微帶天線(xiàn)理論,，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著微帶天線(xiàn)的方向性函數(shù)、輻射電阻以及輸入阻抗,?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模，通常要求寬度W滿(mǎn)足公式(1)的要求：

　　其中,，h,、w分別是天線(xiàn)的高度和寬度。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮邊緣場(chǎng)的影響,，要對(duì)L值進(jìn)行修正,，因此L由公式(4)決定：

　　因?yàn)殡妶?chǎng)沿 L方向非均勻分布，故可通過(guò)改變同軸饋點(diǎn)在 L方向上的位置來(lái)改變饋電點(diǎn)的阻抗大小,，達(dá)到信號(hào)的匹配狀態(tài),。饋電點(diǎn)位置的導(dǎo)納如公式(6)所示：

　　式中Z0是把天線(xiàn)視為傳輸線(xiàn)時(shí)的特性阻抗;Y0是其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納;ZW是壁阻抗;β是介質(zhì)中的相位常數(shù); L1、 L2為饋點(diǎn)沿 L 方向分別到輻射電極邊沿的距離,。通過(guò)改變L1,、 L2的大小可以使輸入阻抗?jié)M足阻抗匹配的要求。

　　設(shè)計(jì)中還要考慮到輻射電極的長(zhǎng)和寬L,、W要滿(mǎn)足矩形貼片天線(xiàn)圓極化工作必要條件,，即：

　　式中Qr，Qd,，Qe,，分別對(duì)應(yīng)輻射，介質(zhì)和導(dǎo)體損耗的Q值,。

　　我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí),，考慮到微帶天線(xiàn)應(yīng)用在手持?jǐn)U頻通信設(shè)備中，要求天線(xiàn)具有剖面薄、體積輕,、小型化的特點(diǎn),。根據(jù)上述公式計(jì)算出天線(xiàn)的實(shí)際尺寸，然后在AGILENT公司的電路和系統(tǒng)分析軟件ADS上建模,，仿真優(yōu)化,，得到圖4所示的天線(xiàn)模型。該天線(xiàn)工作頻率為2.4GHZ,，尺寸為10MM×7.88mm,，天線(xiàn)固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4,，相對(duì)介電常數(shù)為4.4,，基板厚度為1.2mm。對(duì)貼片天線(xiàn)進(jìn)行單點(diǎn)直接饋電,，饋電點(diǎn)到貼片中心的距離為4.2mm,，保證了天線(xiàn)體積的小型化。在饋線(xiàn)末端開(kāi)出一個(gè)0.38mm的接地孔,，以便和接地層相連,。Length的長(zhǎng)度與板厚有關(guān)系，板厚1.2mm,，對(duì)應(yīng)的Length長(zhǎng)度為3.175mm,。一體式結(jié)構(gòu)適合大規(guī)模的生產(chǎn)和調(diào)試，并且堅(jiān)固抗折,，適合在卡狀設(shè)備中使用,。

　　為了優(yōu)化射頻卡天線(xiàn)的傳輸性能，天線(xiàn)的輻射電阻必須適應(yīng)射頻電路的阻抗特性,。阻抗匹配是指在天線(xiàn)能量傳輸時(shí),，要求負(fù)載阻抗要和傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射,，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了,，反之則在傳輸中有能量損失。在設(shè)計(jì)天線(xiàn)時(shí),，為了防止信號(hào)的反射,，要求線(xiàn)路的阻抗為50歐姆,。通過(guò)ADS的仿真分析后得到50歐的微帶參數(shù)為：銅箔厚度為0.7mil,，基片厚度為10mil，導(dǎo)線(xiàn)寬度為20mil,，導(dǎo)線(xiàn)距地平面的距離為31mil,。

仿真結(jié)果與整版測(cè)試

應(yīng)用ADS的高頻信號(hào)仿真對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　從仿真圖 5的(a)(b)(c)中可以看出天線(xiàn)工作在頻率為2.44GHz的時(shí)候,天線(xiàn)輻射特性良好,，主輻射方向垂直于天線(xiàn)表面,。由于微帶天線(xiàn)尺寸和接地板尺寸都比較小，把天線(xiàn)放在一個(gè)常見(jiàn)的周?chē)h(huán)境中進(jìn)行操作的時(shí)候要進(jìn)行一些調(diào)整[5],。圖(d)顯示三個(gè)遠(yuǎn)程控制2.4GHZ天線(xiàn)的反射測(cè)試方法的結(jié)果,。紅線(xiàn)表示天線(xiàn)放在周?chē)鷽](méi)有障礙物的自由空間里面的反射結(jié)果。把天線(xiàn)放在塑料障礙物里,，通過(guò)降低回聲頻率來(lái)影響性能,，對(duì)性能的影響更加明顯。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮這一因素并加以調(diào)整,。在實(shí)際應(yīng)用中,，在天線(xiàn)前端加上功率放大器和濾波器，能有效的增大天線(xiàn)發(fā)射功率,，進(jìn)而提高射頻卡的整體性能,。使用頻譜儀對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示發(fā)射功率達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)(不小于20 dBm),，發(fā)射功率測(cè)試結(jié)果及射頻卡樣機(jī)實(shí)物如圖6所示,。

　　結(jié)語(yǔ)

天線(xiàn)的小型化適應(yīng)未來(lái)通信的發(fā)展趨勢(shì)，如何兼顧增益和頻帶是實(shí)現(xiàn)小型化必須要考慮的問(wèn)題,。本文所設(shè)計(jì)的微帶天線(xiàn),，具有體積小、重量輕,、成本低,、輻射效果好等優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：該微帶天線(xiàn)性能穩(wěn)定,，可以滿(mǎn)足TKCG-08地鐵列車(chē)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)指標(biāo)要求,，同時(shí)對(duì)于其他射頻卡板載微帶天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)也具有一定參考意義。