圓極化平面天線之設計技術於GPS及RFID上之實現(II)

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國

科

會

專

題

研

究

計

畫

成

果

報

告

圓極化平面天線之設計技術於

GPS 及 RFID 上之實現(II)

計畫類別：個別型計畫

計畫編號：

NSC 97－2221－E－151－010－

執行期間：

97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日

計畫主持人：林憶芳副教授國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所

一、中文摘要

一個新型的單層板，使用微帶線與槽線轉換的技術之耦合饋入圓極化圓環槽孔天線並應用於 UHF 頻段，天線設計上 在圓環槽孔天線，植入一個不對稱的微擾元件，而不對稱微擾元件與隙線角度為 135 度，而槽線設計與背面特性阻抗 50Ω 微帶饋入線作為耦合，不對稱的微擾元件為一個彎折的槽孔，以微擾電流的方式激發出兩個正交(orthogonal)、且具有等振幅 及 90 度相位差之近似簡併共振模態，而 產生圓極化的操作。由模擬與實作結果，此結構具有良好的圓極化幅射，頻帶內阻抗頻寬約為17.6% (VSWR≤ 2)，軸比頻寬 約為3.71%

二、緣由及目的

近年來由於幾家全球知名的物流大廠都大力支持UHF頻段的無線射頻辨識系統 (Radio Frequency Identification, RFID)，因此使得UHF頻段的RFID，成為物流管理中的主流[1]。RFID的系統所組成元件，主要有讀取器(Reader) 、電子標籤(Tag)，而各國之間所開放的UHF頻段皆略有不同，如北美(902-928 MHz)、臺灣(920-928 MHz) 和歐洲(865-867 MHz)，讀取器的天線發射電波，將資料傳到電子標籤，所以在 RFID系統中，讀取器的天線是很重要，特別在RFID系統與圓極化的設計上，圓極化天線能夠減少讀取器與標籤距離下，所產生的多重路徑衰減效應 (multi-path effects)，且圓極化天線具有低姿態(low profile)、體積小、成本低廉，相當適用於手持式RFID讀取器。圓極化設計，有兩個條件振幅相等與相位差90 度，傳統單饋入圓極化天線，主要在圓環及正方形或是圓形的金屬面上，加入對稱或是不對稱的微擾元件[2-5]，也就是使用一對切角(cuts)，以及一對調整株 (strips)，使電流擾動激發兩個正交、具有等振幅及90 度的相位差之共振模態，而產生圓極化波幅射。然而這類型的天線阻抗頻寬與軸比頻寬皆比較窄，為了增加軸比頻寬，我們可以設計單饋入圓極化槽孔天線[6-8]，使用傾斜非線性彎折槽孔或是使用不等長十字槽孔，然而傳統的槽孔耦合平板天線，設計方式需要兩片基板，先將一微帶線佈植在一基板上，且於同一基板的接地面蝕刻一矩形槽孔，在另一基板佈植所需形狀之微帶天線金屬片，透過槽孔耦合能量激發此微帶線天線的金屬片以達到共振和輻射，但此設計方式，會增加天線體積以及製作的複雜性，而且會使得輻射場型傾斜。為了改善操作頻寬且不增加天線的尺寸，於是使用印刷槽孔天線設計，方法上為使用一個彎折的微帶線作饋

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入，使電流擾動，產生圓極化波幅射，然而單層板的圓極化槽孔天線至目前的文獻還是不多，圓極化槽孔天線，使用對稱以及非對稱的微擾元件，頻寬比傳統的圓極化微帶天線還寬[9-11]。

三、天線結構

圖1 為論文的天線結構圖，我們蝕刻一個圓環槽孔以及一個彎折的槽孔，在介電係數為4.4、厚度 1.6 mm、接地面為 100 × 100 mm2上，在天線結構方面，圓環槽孔外、內半徑為R1、R2，圓環槽孔的寬度為W (R1 - R2)，而彎折的槽孔類似於 U 字形的槽孔，放置在圓環槽孔的適當位置上，並且彎折的槽孔與y 軸角度為 45 度， U 字形的槽孔長度為 L1寬度為 W1，並且槽孔內的間隔(gap)固定為 1 mm，而圓環槽孔天線的饋入是由背面特性阻抗 50 Ω 的開路微帶線作為饋入且耦合正面圓環槽孔側邊的槽線(slotline)，槽線長度為 L2寬度為 W2，在槽線的末端，蝕刻半徑為 R3 的圓形小槽孔，其等於一個開路殘段(open stub)，而基板背面為特性阻抗 50 Ω的開路微帶饋入線寬度為 3 mm，背面的開路饋入微帶饋入線和正面的槽線所交會的中心點到開路微帶饋入線的末端，此段距離Ls = 0.16λg (25 mm)，λg為頻率915 MHz 的波長，開路殘段可用來調整阻抗匹配。表 1 中詳細的標示出所有的天線尺寸，可以方便參考。圖2 圓極化圓環槽孔天線之實品圖，圖(a)為天線正面圖，圖(b)為天線背面圖，以供對照。設計的流程上，我們使用模擬軟體 (Ansoft HFSS)來做為理論的分析，模擬出符合的共振頻率及頻寛、電流分佈，輻射場型以及增益，再由實作來修正製作上所造成的誤差。傳統的圓極化槽孔天線基模態TE11，大概是圓環槽孔的圓周長接近於一個波長的共振模態[12]。 1 2 (1) ( ) 1 ( -1) (2) eff eff r c f R R q π ε ε ε = + = + g rou nd an d slo t

5 0- micro strip lineΩ

FR 4 100 mm 100 h X Y Z w1 w2 w_f L2 Ls L1 R1 R3 R2 450 1mm W 圖1 圓極化圓環槽孔天線結構圖 表1 圓極化圓環槽孔天線相關參數 R1 = 37 mm R2 = 33 mm R3 = 4 mm L1 = 21 mm L2 = 4.8 mm LS = 25 mm W = 4 mm W1 = 3 mm W2=1 mm Wf = 3 mm h = 1.6 mm (a)正面圖 (b)背面圖圖2 天線實品圖 其中c為在自由空間中光的速度，f為傳統圓環槽孔天線的基模態，π(R₁+R₂)為圓環

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槽孔的圓周長，考慮圓環槽孔兩個平面上介電質的不同，所造成的修正因子q和有效 介電係數εeff不同，在研究中，使用介電常數為4.4的基板，從改變槽孔寬度W (R1- R2) 的許多模擬中得到q的數值，可以發現當槽 孔寬度W愈大時，有效介電常數則愈小，我們從圓環槽孔的寬度從2 mm增加至6 mm的模擬中，可得到方程式(2)修正因子q 的平均值為0.082，且槽孔寬度為4 mm的 TE11的基頻為1207 MHz。當圓環槽孔植入一 U 字形的槽孔時，使得電流擾動，使得原本的基模態分裂成兩個模態具有等振幅及 90 度的相位差之共振模態，並產生圓極化波幅射，而低頻的模態為圓環槽孔對角線的左半部的周長，而高頻的模態為圓環槽孔對角線的右半部的周長，且波長都符合 1/2 波長。圖3 為圓極化圓環槽孔天線，在中心頻率 915 MHz 的電流分佈圖，由電流分佈圖可以得知，此天線的電流的零點，分別在對角線上45 度與 225 度上，其中低頻模態的電流路徑為圓環槽孔周長 A-C-B，且高頻模態的電流路徑為圓環槽孔周長A-D-B，天線的電流路徑約為1/2 波長共振。 ) 1 ( 082 . 0 1 ) 4 ( ] 2 2 2 2 / ) ( [ 2 ) 3 ( ] 1 2 2 / ) ( [ 2 2 3 2 2 1 1 1 2 1 − + = − + + + ≈ + − + + ≈ r eff eff b eff a W R L R R c f W L R R c f ε ε ε π π ε π 修正因子q，使用方程式(2)所求得 0.082，共掁長度從 A 點至 C 點最後到 B 點 (π(R1+R2)/2+2L1-W1+1)大約為 149 mm，路徑長度約為0.5λs 、fa = 884 MHz，另一的路徑從 A 點至 D 點最後到 B 點為 (π(R1+R2)/2+2L2+2πR3-2W2) 大約為 142.6 mm 、fb = 930 MHz，而天線產生右手圓極化(RHCP)輻射電磁波，是因為相位差為 90 度，電流由高頻 fb以逆時針方向往低頻 fa作旋轉。圖 3 圓極化圓環槽孔天線在中心頻率 915 MHz 的電流分佈圖。

四、實驗結果與討論

圖4 所示，實際量測的頻段範圍為 830 MHz~990 MHz，阻抗頻寬約為 160 MHz，約為 17.6%；模擬頻段範圍約 829~1021 MHz，阻抗頻寬約為 192 MHz ，約為 20.7%，實作量測值跟模擬值相當的準確，表2 為模擬與實測反射損失數據的整理表，可詳細對照。圖 5 為圓極化圓環槽孔天線模擬相位圖，我們將操作原理所求得的兩個共振路徑的頻率fa = 884 MHz 和 fb = 930 MHz 代入相位圖中，我們發現這兩點的相位差約為89 度，並實測結果為一個良好的右旋圓極化輻射電磁波，此外由圖6 可知此天線實測軸比頻寬為898 MHz~932 MHz，軸比頻寬大約為34 MHz，約為 3.72%，軸比的中心頻率為915 MHz 模擬軸比頻寬為 905 MHz~940 MHz ，軸比頻寬大約為 35 MHz，約為 3.8%，模擬與實做相當的吻合。圖7 為圓極化圓環槽孔天線在中心頻率915 MHz 所量測的輻射場型分佈圖，由圖可知具有良好對稱性的雙面輻射場型，由於此天線背面並沒有一個金屬面，使得

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輻射場型為雙面輻射場，且輻射場型相同，極化波相反，在天線正面為右旋的輻射場，而天線的背面為左旋的輻射場，在 XZ 平面 3dB 波束約為 96 度(-50 度~46 度)，而在 YZ 平面上為 98 度(-55 度~43 度)，並且有一點向左傾斜。圖8 為圓極化圓環槽孔天線之增益圖，在 UHF 頻段 (902-928 MHz) 內，天線增益大約 0~1.5dBi，其頻率範圍內之增益相當穩定。 700 800 900 1000 1100 1200 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Re tu rn lo ss ( dB) Frequency (MHz) simulated measured 830 MHz _{990 MHz} 圖4 圓極化圓環槽孔天線模擬與實測反 射損失比較圖表2 反射損失實測與模擬值之比較 中心頻率 (MHz) 操作頻段 (MHz) 頻寬 (MHz/%) 量測值 910 830~990 160 /17.6% 模擬值 925 829~1021 192/ 20.9% 700 800 900 1000 1100 -150 -100 -50 0 50 100 150 f_{b= 930 MHz} phase= -46.20 P has e (deg) Frequency (MHz) f_{a= 884 MHz} phase= 43.10 圖5 圓極化圓環槽孔天線模擬相位圖 880 900 920 940 960 0 1 2 3 4 5 6 simulated measured Ax ial r at io (dB) Frequency (MHz) 898 MHz _{932 MHz} 圖6 圓極化圓環槽孔天線實測與模擬軸 比頻帶圖 -30 dB -20 dB -90o 180o 90o θ= 0o (+Z) -10 dB simulated (RHCP) simulated (LHCP) measured (+X) XZ plane

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-30 dB -20 dB -90o 180o 90o θ= 0o (+Z) -10 dB simulated (RHCP) simulated (LHCP) measured (+Y) YZ plane 圖7 圓極化圓環槽孔天線在中心頻率 915 MHz 的輻射場型分佈圖 measured simulated 900 905 910 915 920 925 930 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Gai n (dBi) Frequency (MHz) 圖8 圓極化圓環槽孔天線實測與模 擬增益值

五、結語

本天線為單饋入微帶線轉換槽線的結構的圓極化圓環槽孔天線，並植入一個非對稱的彎折槽孔，應用於 RFID 讀取器的設計與測量，非對稱的彎折槽孔的設計，為了激發兩個正交的共振模態，由實驗結果得知，頻帶內軸比頻寬約為 3.72%，阻抗頻寬約為17.6% (VSWR≤ 2)，且由於設計的尺寸不大，將有助於工業界手持式圓極化RFID Reader 的開發以及提高產品使用的便利性。

六、成果自評

本計劃之相關成果已發表於：

1. Y. F. Lin, Y. C. Kao, S. C. Pan and H. M. Chen, “Bidirectional radiated circularly polarized annular-ring slot antenna for portable RFID reader,”

Applied Computational Electromagnetics Society Journal

(ACES Journal), vol. xx, No. x, pp. xx-xx, 2009.【NSC97-2221-E-151-010】【SCI, EI】【accepted】

2. H. M. Chen, Y. K. Wang, Y. F. Lin, C. Y. Lin and S. C. Pan, “Microstrip-fed circularly polarized square-ring patch antenna for GPS applications,” IEEE

Trans. Antennas Propagat., vol. 57, No. 4, pp. 1264-1267, April 2009. 【NSC96-2221-E-151-003】【SCI, EI】 3. Y. F. Lin, H. M. Chen, S. C. Pan, Y. C. Kao and C. Y. Lin, “Adjustable axial ratio of single-layer circularly polarized patch antenna for portable RFID reader,” IET Electron. Lett., vol. 45, No. 6, pp. 290-291, March 12, 2009. 【NSC97-2221-E-151-010】【SCI, EI】 4. Y. F. Lin, H. M. Chen, F. H. Chu and S.

C. Pan “Bidirectional radiated circularly polarized square-ring antenna for portable RFID reader,” IET

Electron. Lett., vol. 44, No. 24, pp. 1383-1384 , Nov. 20, 2008.

【NSC97-2221-E-151-010-】【SCI, EI】

5. Y. F. Lin, H. M. Chen, and S. C. Lin, “A new coupling mechanism for circularly polarized annular-ring patch antenna,” IEEE Trans. Antennas

(6)

Propagat., vol. 56, No. 1, pp. 11-16, Jan. 2008.【NSC96-2221-E-151-003】【SCI, EI】【full paper】

6. H. M. Chen, K. Y. Chiu, Y. F. Lin, H. N. Wen, J. Y. Jan and C. F. Yang, “Single-layer circularly polarized patch antenna for RFID reader application,”

2009 IEEE AP-S Int’l. Symp. on Antennas and Propagat., Charleston,

Southern Carolina, USA, s103p9, June

1-5, 2009.【EI】

7. Y. K. Wang, H. M. Chen, J. Y. Jan, Y. F.

Lin, C. Y. Lin and C. F. Yang, “A

circularly polarized square-ring patch antenna for GPS application,” 2008

IEEE AP-S Int’l. Symp. on Antennas and Propagat., San Diego, California

USA, s209p11, July 5-12, 2008.【EI】

8. 高愈昌、郭瓊英、林憶芳、陳華明, “應

用於手持式 RFID 讀取器之雙向幅射

圓極化圓環槽孔天線,” 第 16 屆三軍

官校基礎學術研討會, Kaohsiung,

Taiwan, pp. EE, May 22, 2009.

9. 林憶芳、林哲彥、高愈昌、陳華明, “單

層槽孔耦合饋入圓極化微帶天線,”

2008 全國電信研討會, 虎尾, Taiwan, CD Rom, pp. PD1-82, Dec. 5-6, 2008.

七、參考文獻

[1] K. Finkenzeller, RFID Handbook, 2nd Ed, New York, Wiley, 2004. [2] K. L. Wong and Y. F. Lin, "Circularly

polarized microstrip antenna with a tuning stub," Electron. Lett., vol. 34, pp. 831-832, April 30, 1998.

[3] K. L. Wong, W. H. Hsu and C. K. Wu, "Single-feed circularly polarized microstrip antenna with a slit,"

Microwave Opt. Technol. Lett., vol.

18, pp. 306-308, July 1998.

[4] H. M. Chen and K. L. Wong, "On the circular polarization operation of annular-ring microstrip antennas,"

IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.

47, pp. 1289-1292, Aug. 1999.

[5] J. S. Row, "Dual-frequency circularly polarized annular-ring microstrip antenna," Electron. Lett., vol. 40, No. 3, Feb. 5, 2004.

[6] J. S. Row, "Design of aperture-coupled annular-ring microstrip antennas for circular

polarization," IEEE Trans.

Antennas Propagat., vol. 53, pp.

1779-1784, May 2005.

[7] D. H. Hyun, J. W. Baik, and Y. S. Kim, “Compact reconfigurable circularly polarized microstrip antenna with asymmetric cross slots,” Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 50, no. 8, pp. 2217-2219, 2008. [8] K. L. Wong, C. C. Huang, and W.

S. Chen, "Printed ring slot antenna for circular polarization," IEEE

Trans. Antennas Propagat., vol. 50,

no. 1, pp. 75-77, Jan. 2002.

[9] J. Y. Sze, K. L. Wong, and C. C. Huang, "CPW-fed square slot antenna for broadband circularly polarizes radiating," IEEE Trans.

Antennas Propagat., vol. 51, no. 8,

pp. 2141-2144, 2003.

[10] Y. B. Chen, X. F. Liu, Y. C. Jiao and F. S. Zhang, “CPW-fed broadband circularly polarized square slot antenna,” Electron. Lett.,

(7)

vol. 42, no. 19, pp. 1074-1075, Sep. 2006.

[11] C. C. Chou, K. H. Lin and H. L. Su, “Broadband circularly polarized crosspatch-loaded square slot

antenna,” Electron. Lett., vol. 43, no. 9, pp. 485-486, 2007.

[12] R. Garg, P. Bhartia, A. Bahl, and A. Ittipibon, Microstrip Antenna Design