小型雙頻貼片天線的設(shè)計(jì)制作分析

1、小型雙頻貼片天線的設(shè)計(jì)制作分析本章設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于RFID的雙頻印刷天線.此天線可以同時(shí)工作在2.4GHz和5/7GHw兩個(gè)頻段*將大大增加RHD系統(tǒng)的兼容性歡叫印刷天線的帶寬比較窄，本文通過(guò)優(yōu)化縫隙的形狀與尺寸*力求反射損耗小于-15dB時(shí)天線在兩個(gè)頻段的帶寬分別達(dá)到200MHz和500MHz以上.RFID系統(tǒng)對(duì)天線的尺寸要求較高，這里將采用添加金屬線的方法來(lái)減小天線的尺寸卩5-2天線結(jié)構(gòu)瑚過(guò)肅文對(duì)幾種方法的對(duì)比研究,本文將采用一種橢圓槽加載的單扱子天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作.天線的結(jié)構(gòu)如圖5J所示，L和W分別表示金屬地板的長(zhǎng)和寬，在金風(fēng)地板上開(kāi)一個(gè)橢圓形的縫隙.在橢圓縫隙的側(cè)邊加開(kāi)一個(gè)小三角形補(bǔ)償隙

2、.a2.b2表示橢圓的長(zhǎng)軸和短軸尺寸1al.bl喪示三角形縫陳的基本尺寸.在橢ffil縫隙上添加一條金屬線用以減小天線的尺寸（在后文將會(huì)分析h其尺寸分別為aKb頭基片另一側(cè)的矩形微帶線用來(lái)對(duì)縫隙單元I#電*即圖中有陰影的矩形.介質(zhì)基板采用FR/材料，其介電常數(shù)是44厚度是1.6mm.圖51天線的結(jié)構(gòu)圖5.3軟件仿真結(jié)果及分析下面使用ADS(AdvancedDesignSystem)軟件仿真徇到天線的表面電流、反射損耗、增益和方向圖等參數(shù)，并分別對(duì)其分析.531天線的表面電流及分析天線在2.4GHz和5.7GHz頻率點(diǎn)時(shí)的電流分布分別如圖52、圖5-3所示.由圖可以看出，在2.4GHz頻率點(diǎn)時(shí)，

3、金屬線產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿著橢圓形縫隙對(duì)稱(chēng)地向兩邊流動(dòng)由電流路徑可知，此時(shí)天線可以等效為一個(gè)工作在2.4GHz的偶極子天線相比于矩形縫隙，在橢圓形縫隙中電流路徑上沒(méi)有折線，電流不會(huì)在線段拐彎處產(chǎn)生突變，很大程度上改善了天線性能.同時(shí)，通過(guò)分析表面電流可以看到，加載金屬線使得天線電流的路徑變長(zhǎng),從而減小了天線的尺寸.圖5-3中心頻率為5.7GHz時(shí)的電流分布如圖53所示，天線工作在5.7GHz時(shí)形成了新的電流路徑.沿著縫隙邊緣電流出現(xiàn)了截?cái)鄥^(qū)，在縫隙的下半部分（即圖中左半部分）形成一個(gè)新的高頻的諧振電流通過(guò)圖2和圖3的電流分布可知，兩個(gè)諧振頻率分別為槽的全波長(zhǎng)模式和半波長(zhǎng)模式，因而實(shí)現(xiàn)了天線同時(shí)工作

4、在兩個(gè)不同的頻率下.5.32天線的反射損耗天線的反射損耗曲線仿真結(jié)果如圖5,所示.天線有兩個(gè)工作頻段，反射損耗小于15dB時(shí)工作范圍是2.3482.625GHz和53676.475GHz,中心頻率分別為2.486GHz和5.843GHz低頻段的絕對(duì)帶寬為277MHz,相對(duì)帶寬為11.2%.髙頻段的絕對(duì)帶寬為1111MHz,相對(duì)帶寬為19.0%。上述參數(shù)完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用于2.4GHz和5.7GHz兩個(gè)工作頻段的RFID系統(tǒng)-5DOp-2_h!348dHB14.771mTqdB*4.841367GHz12B1(4.834.mvsw656IdB414.974frda=2.486G幻日一16

5、383eq»5.i八日吒843GHz.7471234667Frequency圖54Sn的仿真結(jié)果天線的增益和方向圖圖5-5為天線分別工作在2.4GHz和5.7GHz兩個(gè)工作頻段隨THETA角而變化的增益曲線.由圖可知，在theta=0度時(shí)，有最大增益，分別可以達(dá)到3dB和1.4dB,且兩個(gè)頻段的方向性較好的一致.QOQ(a)2.4GHz(b)5.7GHz圖55天線的増益和方向圖我們還可以觀察天線的輻射方向圖:工作在2.4GHz時(shí),180O第-10-15-20圖55天拔工作在2.4GHz的輻射方向圖工作在5.7GHz時(shí):ISO圖W天線工作在5.7GHz的輻射方向圖由圖5-5."

6、;可見(jiàn)，在兩個(gè)頻段E面都有偶極子的特性，H面都具有良好的全向性.在5.8GHz的H面發(fā)生了一定的畸變，但仍然具有良好的增益.534天線的尺寸使用ADS對(duì)設(shè)計(jì)的天線各部分尺寸反復(fù)優(yōu)化后得到天線的最佳尺寸如表5-1所示：*5-1天找各部分尺寸參數(shù)（單位，mm）參數(shù)大小參數(shù)大小L65W50a35b2.53|15b»923b237.1%9.9bj35.4實(shí)測(cè)結(jié)果和分析由圖5»7可見(jiàn)，低頻段的絕對(duì)帶寬為410MHz,相對(duì)帶寬為17.1%,高頻段的絕對(duì)帶寬為760MHz,相對(duì)帶寬為13.3%,完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求.(a)Sil的實(shí)測(cè)結(jié)果cB(S(1耳#15491!mlfreq-222C5H

7、zreq242OGHi0GHz“5054B(S(1;1)-36517冋5.800GHz出因)屮2202lVVIfIIOXrr>4freq«!dB«r340GHz1)-15.664m5freq-fdB«l100GHz1)-14.609freqGHs(b)實(shí)測(cè)結(jié)果的具體值圖57天線的實(shí)測(cè)結(jié)果圖58是實(shí)測(cè)的史密斯圓圖的截圖由(a)和(b)可以看出，天線工作在2.4GHz和5.7GHz兩個(gè)頻率點(diǎn)時(shí)，其阻抗分別為和49.480+j0.667Q可知，天線在2.4GHz和5.7GHz時(shí)都能達(dá)到很好的匹配效果/、1.257于"5O»24Q3.5705Q:

8、/、1.257于"5O»24Q3.5705Q:圖58阻抗匹配測(cè)試結(jié)果通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，此天線完全滿(mǎn)足我們的設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用在射頻識(shí)別的2.4GHz和5.7GHz兩個(gè)頻段.RFID的應(yīng)用正日趨廣泛，尤梵是應(yīng)用于零售業(yè)Z后，對(duì)RFID系統(tǒng)標(biāo)簽天線的體積、成本等的要求越來(lái)越高.標(biāo)簽天線的小型化成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)標(biāo)簽天線的另一個(gè)研究熱點(diǎn)長(zhǎng)天線的雙頻工作.因?yàn)镽FID在全球范用內(nèi)沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)對(duì)頻段的劃分有所不同，天線采用雙頻工作模式時(shí)可以增加RFID系統(tǒng)的兼容性本文分析了貼片天線實(shí)現(xiàn)小型化和雙頻工作的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比了實(shí)現(xiàn)小型化和雙頻工作的幾種方法在文中分別對(duì)矩形

9、貼片天線和偶極子貼片天線進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)和仿真研究.本文的主要研究工作如下；本文根期微帶天線的輻射機(jī)理，利用傳輸線等效法推導(dǎo)出矩形貼片天線和偶極子貼片天線的尺寸計(jì)算公式為天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ).1. 通過(guò)理論計(jì)算得到天線的基本尺寸后，本文利用仿真軟件ADS對(duì)矩形站片天線和偶極子貼片天線進(jìn)行建模仿真.并利用ADS對(duì)貼片天線進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，顯示了ADS的強(qiáng)大功能.2. 本文對(duì)矩形貼片天線和偶極子天線分別進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。以矩形貼片天線為基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)了一款小型化貼片天線.利用開(kāi)鋸齒邊緣實(shí)現(xiàn)天線的小型化為了提高天線性能，進(jìn)一步使用圓弧邊緣代普鋸齒邊緣；偶極子天線采用折彎偶極子臂的方法實(shí)現(xiàn)小型化.3. 本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一款小型雙頻貼片天線.通過(guò)添加金屬線和橢圓形縫隙加載分別實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和雙頻工作.采用橢圓形縫隙加孩提離了天線的性能.4. 加工了本文設(shè)計(jì)的兩款貼片天線：工作在2.4GHz的小型站片天線和工作在2.4GHz和5.7GHz的小型雙頻印刷天線.測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證