MIMO天線 期中報告論文研討 :

Broadband MIMO PIFA Antenna with Circular Polarization for RFID Readers

  寬帶 MIMO PIFA天線具有圓極化的 RFID讀取裝置

Broadband Planar Antenna with Circular Polarization for RFID Readers

 寬帶平面天線的圓極化的 RFID讀取裝置

  博研電子一甲  DA230102 林知毅

Southern Taiwan UniversitySouthern Taiwan University Department of Electronic Engineering12014/4/21

   摘要 

一種新型寬帶圓偏振的兩元件的 PIFA天線具有指向性和高隔離度，可以很容易地製造並嵌入到 RFID讀取裝置，該天線的圓極化特性是通過引入一個跨支在地上的其角來實現，修改後的 PIFA結構使天線的寬帶阻抗帶寬特性。

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另一種新穎的平面天線具有寬帶和圓偏振特性，可以容易地製造並嵌入到 RFID讀取裝置，圓極化輻射是通過引入交叉分支在其拐角處實現。

和改性的 PIFA結構使天線的寬帶阻抗帶寬特性，為便於與有源器件和設計促進融合，在輻射元件和接地被蝕刻的基板的同一層上。

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天線設計

圓極化寬帶平面天線與 MIMO天線 PIFA具有廣泛的 AR和阻抗帶寬該天線的 RFID涵蓋從 840MHz全帶寬要求，以 960MHz的。

PIFA天線有兩個分支，在實現廣泛的阻抗帶寬和負載連接到地跨用來實現廣泛的 AR帶寬。

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天線中的一個顯著特徵是 PIFA天線，其已被廣泛用於在終端和通常用於線性極化，可實現圓極化輻射，分集特性是由兩個元件的正交輻射模式來實現，天線設計細節等，並針對模擬和測量結果驗證了該天線的性能。

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    圖 1 所示出天線的幾何形狀，它被安裝在 FR4基板為4.4的介電常數和 1.6mm的厚度，所有的金屬部件被印在基片的同一側，地面補丁代表該終端設備的系統接地，天線由一個 PIFA結構和十字形分支在地面的角落，天線通過同軸激勵，同軸的外表面與地面充分結合，而內銅被連接到 PIFA以激勵天線。

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圖 1  天線的幾何形狀

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通過無數次的模擬，我們可以發現，阻抗匹配和 AR帶寬主要取決於 PIFA和十字形分支，為了增加阻抗帶寬，兩個分支的使用，從而大大擴展了頻帶，使其能夠覆蓋整個 RFID頻帶，交叉分支是最重要的因素，在設計頻段的 AR需要認真考慮，通過仔細選擇交叉的參數，可以得到寬帶圓極化，建議的天線的最終選擇的尺寸於表 1

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Parameter Ls Lp L1 L2 L3

Value(mm) 122.2 88.4 26.5 32.5 66.3

Parameter Lb Wb W h 

Value(mm) 39.8 3 2.2 1.6 

表一  天線尺寸

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天線的分集特性是由相同的兩個天線單元的正交放置來實現。然後在兩個天線單元具有正交的偏振和圖案的輻射可以降低兩個天線之間的相互耦合。圖 2 所示出在 900MHz的兩個天線單元的模擬三維輻射圖。可以看出這兩個天線元件具有正交極化和輻射模式。

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圖 2 三維輻射圖

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為了驗證所提出的天線設計，原型被製成圖 3 所示。所有的測量結果是使用矢量網絡分析儀等微波測試儀器進行的暗室。

天線的模擬和測量回波損耗如圖 4 所示。

天線具有寬帶阻抗匹配的特徵，從 830MHZ由S11<-10分貝，它涵蓋了整個 RFID頻段定義 990MHZ。

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圖 3  天線的原型製作 圖 4 天線的模擬和測量 S11

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模擬和測量結果

由於兩個天線單元的尺寸是相同的，則 S11和 S22是相同的，天線的模擬和測量回波損耗如圖 5 所示。所提出的天線具有寬帶阻抗匹配特性從 830MHZ到由S11<-10分貝，它覆蓋了整個 RFID頻帶定義990MHZ，在兩個端口之間的相互耦合是小於 15分貝橫跨所需要的帶寬，如圖 6 所示。

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圖 5 天線的模擬和測量 S11 圖 6 天線的模擬和測量 S21

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圖 7 示出在寬邊方向上測得的軸比（ S =0° ）大約140MHz的從 830MHZ到 970MHz為 AR寬帶 AR帶寬 3 分貝所示，表示該天線實現良好的圓極化特性。

圖 7 測量軸比

在 E 面在三個不同頻率 840MHz，了 920MHz和950MHz的輻射模式圖 8 中還給出。紅色實線表示的垂直極化輻射方向圖，而藍色點線表示水平極化輻射圖。如可以看到的，天線達到良好的 CP輻射圖案。

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圖 8  測的輻射模式在 840MHz，了 920MHz和 950MHz

為優化性能的目的，天線結構的尺寸的參數進行，分析了 PIFA元件 L3的長度。如圖 9 中，天線的工作頻率是可變的，它會下沉，當長度較長時，上升時的長度要小。

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圖 9 用不同的 L3上的天線的 S11

圓極化特性會受到交叉分支的在地面磅角落的尺寸。如圖 10所示， Lb的從 30毫米改變至 40毫米和 AR<3分貝的頻率下降。

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圖 10 具有不同磅天線 AR

結論

寬帶圓極化平面多樣性 / MIMO天線的 RFID讀取裝置的設計方案，該天線具有寬帶和圓極化，同時通過引入 PIFA結構和交叉分支，兩個正交放置的天線元件給出的多樣性特徵，模擬和測量結果表明，該回波損耗和 AR覆蓋整個 RFID頻帶，這種天線能找到它的應用在移動 RFID讀取器系統手持終端。

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