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)通信方案
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。
地鐵射頻卡安裝示意圖
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。
微帶天線(xiàn)[nextpage]
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：
公式
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：
公式
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：
公式
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。
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