閱讀器微帶天線設(shè)計(共31頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上東 莞 理 工 學(xué) 院本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 畢業(yè)設(shè)計題目：2.4 GHz RFID閱讀器微帶天線設(shè)計學(xué)生姓名：XXX 學(xué) 號：XXX系 別：電子工程學(xué)院專業(yè)班級：通信工程2班 指導(dǎo)教師姓名及職稱：賴穎昕（講師）起止時間：2010年10月 2011年5月摘 要 本文研究的是微帶天線的設(shè)計，討論了矩形微帶天線工作原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。Ansoft HFSS12的使用是本設(shè)計研究的重點，它適用于射頻/無線通信天線及其他任意形狀三維電磁場仿真。HFSS是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件包，它提供了簡潔直觀的用戶設(shè)計界面、精確自適應(yīng)的場求解器，擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)人后

2、處理器，能計算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場。 本文給出了設(shè)計矩形微帶線貼片的設(shè)計公式，然后，詳細(xì)描述了設(shè)計中心頻率為2.4GHz矩形微帶天線的整個的流程：第一步根據(jù)設(shè)計公式計算出初步的微帶天線的物理尺寸，由于計算天線的物理尺寸使用的計算公式都是經(jīng)驗公式，與實際中有所誤差，所以它的物理尺寸需要調(diào)整，這種工作在電磁場仿真軟件HFSS中來完成，第二步在HFSS中根據(jù)2.4GHz微帶天線的初步物理參數(shù)和天線的具體形狀，建立天線模型，來模仿實際中的天線，最后對天線輻射特性進(jìn)行仿真，并通過不斷調(diào)整天線模型的各個參數(shù)，來使天線的輻射特性能夠符合設(shè)計要求，從而得到天線的最佳物理參數(shù)。仿真結(jié)果表明，

3、這幾款設(shè)計出來的微帶天線有較好的輻射特性和阻抗特性，能適用于RFID無線通信場。關(guān)鍵詞 矩形微帶天線； HFSS軟件；仿真AbstractThe basic operation principle，structural characteristics and application of the rectangular microstrip antenna are discussed. The emphasis of study is how to use the software of Ansoft HFSS12 and 3D (three-dimensional) electromagne

4、tic simulator which is used in RF/wireless communication antennas, packages and photoelectron designs. HFSS is a well-known standard 3D electromagnetic simulator. It provides a simple designing interface and an accurate sell-adapted field solver, which also has a powerful backup processor for unique

5、 electricity analysis. It can compute the S-parameters and full-wave electromagnetic of various structures.At this thesis, the design formulas of rectangular microstrip patch antenna are involved.According to the design formula, the initial parameters of 2.4GHz rectangular microstrip patch antenna a

6、re calculated. But there are a little difference between the initial parameters and the real antenna parameters so that the initial parameters should be rectified. The antenna's model is set up in HFSS which is electromagnetic simulation software. The antenna's radiating character is simulat

7、ed by HFSS, so we can adjust the antenna's parameters until its radiating character fits in with the designing demands. The antenna's optimization parameters are gained in this way.The simulation result indicates that the microstrip antennas designs have good radiation characteristics and im

8、pedance characteristics, which can be used in RFID system.Key words：rectangular microstrip antenna； HFSS software； simulation目錄引言隨著現(xiàn)代無線電通信技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在各種各樣的通信設(shè)備無論是大到雷達(dá)導(dǎo)彈飛機(jī)衛(wèi)星還是小到手持移動電話都希望裝置體積越小越薄，重量越輕越好，來方便生產(chǎn)、布置及攜帶。為了迎合這種潮流，通信裝置中的重點天線的設(shè)計也越發(fā)注重小而薄的特性。而微帶天線由于具有剖面低、體積小、重量輕、造價低，可與微波集成電路一起集成，且易于制成共形天線等諸多優(yōu)點而得到

9、廣泛的應(yīng)用。本文為東莞理工學(xué)院09年院“創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃”項目的后續(xù)設(shè)計。由于之前的設(shè)計存在著增益較小、帶寬不大和結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的缺點，故本文將重新設(shè)計一組2*2陣元的基于HFSS的2.4 GHz 高增益、寬頻帶和結(jié)構(gòu)簡單的RFID閱讀器微帶天線。本文采用Ansoft HFSS 12電磁場仿真軟件設(shè)計一組新型2.4 GHz RFID閱讀器微帶天線。天線采用FR4介質(zhì)層，通過微帶線連結(jié)四個矩形微帶貼片輻射源，并在脊形接地板頂端用同軸探針對匹配微帶線進(jìn)行饋電。 專心-專注-專業(yè)1、 緒論11論文的研究背景及意義微帶貼片天線是近30年來逐漸發(fā)展起來的一類新型天線。常用的一類微帶貼片天線是在一個薄介質(zhì)（

10、如FR4、聚四氟乙烯玻璃纖維壓層）上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等制作方法作出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線和軸線探針對貼片饋電，這就構(gòu)成了微帶貼片天線。貼片可以是方形、矩形、圓形、橢圓形或者其它形狀。饋電方式有：微帶線側(cè)饋、同軸線地饋、電磁耦合、口徑耦合等。微帶貼片天線結(jié)構(gòu)上的特點是體積小、重量輕、薄的平面結(jié)構(gòu)，能與飛行器共形，制造工藝簡單，成本低；電氣上的特點是能得到單方向的寬方向圖，最大輻射基本上在平面的方向，易于實現(xiàn)線極化或圓極化和雙頻率工作。其主要缺點是頻帶窄，效率低。這是因為微帶貼片天線實質(zhì)上接近封閉的諧振系統(tǒng)。微帶貼片天線已大量應(yīng)用于100MHz100GHz的寬

11、廣頻域上，包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、導(dǎo)彈、遙測遙控、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、便攜式無線電設(shè)備等。綜上，微帶天線的電尺寸小，能在不同的環(huán)境中很好的工作。因此，成為天線應(yīng)用的首選。雖然用一個天線單元也能獲得所要求的天線特性，但要想獲得高增益、高功率、低旁瓣、波束掃描或波束控制等特性，就必須將離散的輻射單元組成陣列的形式。所以在微帶天線的實際應(yīng)用中，常采用由微帶輻射單元組成的微帶天線陣。單元天線構(gòu)成的陣列天線又稱為天線陣，是由多個形式相同并按一定規(guī)律排布的離散或連續(xù)輻射單元所組成的輻射系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個輻射單元稱為陣元或單元天線。組成陣列的天線單元可以是不同形式的，如縫隙、貼片、印刷振子等。在同一陣列輻

12、射平面內(nèi)也可以采用不同形式的輻射單元，但大多數(shù)情況下，還是采用相同形式的單元。天線陣可排成多種幾何形狀，常見的有矩形、菱形、圓形等。陣列規(guī)模是由具體的設(shè)計要求決定的，陣列包含的單元數(shù)目越多，陣列的輻射增益越大。內(nèi)部的網(wǎng)格可以是矩形、三角形等。12 RFID系統(tǒng)的主要應(yīng)用我國政府在1993年制定的金卡工程實施計劃及全國范圍的金融卡網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的10年規(guī)劃，是一個旨在加速推動我國國民經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程的重大國家級工程。由此各種自動識別技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用十分迅猛。現(xiàn)在，射頻識別技術(shù)作為一種新興的自動識別技術(shù)，正在中國很快地普及。RFID技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域，因此

13、，RFID系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。 （1）高速公路運輸管理。將RFID系統(tǒng)用于高速公路自動收費，我們稱之為電子收費系統(tǒng)，安裝射頻卡的汽車可以120km /h以內(nèi)的速度通過收費口，讀出設(shè)備可快速、準(zhǔn)確地記錄通過車輛的編號或帳號信息，實現(xiàn)高速公路通行費的自動征收與管理，提高了公路的運行效率，克服了人工收費所造成的交通堵塞等弊端。通過采用ETC系統(tǒng)，中國的公路基礎(chǔ)設(shè)施將會得到改善。此項應(yīng)用也即是本課題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)和背景。 （2）車輛出入管理。射頻識別系統(tǒng)可應(yīng)用于大型停車場、軍事重地、金融系統(tǒng)等地方的車輛自動管理。將電子標(biāo)簽貼在汽車的擋風(fēng)玻璃上，當(dāng)車輛經(jīng)過讀寫器時，讀寫器可快速、準(zhǔn)確地記錄下所通過的

14、車輛信息及通過的時間，同時還可對是否允許通過做出判斷，自動控制出入大門開關(guān)，作到出入嚴(yán)格管理。 （3）鐵路運輸監(jiān)控及列車、機(jī)車定位系統(tǒng)。由于火車是按既定路線運行，所以可以在沿途安放讀寫器以便監(jiān)控火車的運行。將貨車車號信息存放在射頻卡里，并將射頻卡附著在貨車車體的表面，當(dāng)貨車通過讀出點時，讀寫器通過天線接收射頻卡反射回的帶有貨車車號信息的電子信號，經(jīng)過計算機(jī)處理后，自動顯示或打印出來，從而實現(xiàn)了貨車車號的自動識別，克服了人工抄錄造成的勞動強(qiáng)度高、出錯概率大、工作效率低等缺點，并能夠辨認(rèn)火車的身份，監(jiān)控火車的運行安全，及火車的完整性，以防遺漏在鐵軌上的車廂發(fā)生撞車事故，同時在車站還能將車廂重新編組

15、。 （4）集裝箱運輸管理。發(fā)達(dá)國家的貨運，包括海洋運輸和鐵路、公路運輸，主要采用集裝箱運輸，既安全又便于物流管理。由于集裝箱運輸種類繁多、復(fù)雜，采用射頻識別系統(tǒng)后就可做到對各類集裝箱進(jìn)行自動登記、抄錄。在集裝箱上安裝射頻卡，在卡中寫入集裝箱號及箱內(nèi)貨物編號、數(shù)量、發(fā)貨地及到貨站。集裝箱隨船(汽車或火車甚至飛機(jī))啟運或到達(dá)港站時，RFID系統(tǒng)對其進(jìn)行識別和數(shù)據(jù)信息交換。 （5）倉儲管理。RFID系統(tǒng)用于智能倉庫貨物管理，有效地解決了倉儲貨物信息管理。對于大型倉儲基地來說，采用RF工D系統(tǒng)，管理中心就可以實時了解貨物位置、貨物存儲的情況，對于提高倉儲效率、反饋產(chǎn)品信息、指導(dǎo)生產(chǎn)都有很重要的意義。

16、這里僅僅羅列了RFID技術(shù)一些可行性很大的應(yīng)用?？梢院敛豢鋸埖念A(yù)測，任何一種應(yīng)用如果成為現(xiàn)實，都將會孕育一個龐大的市場。RFID將是未來一個新的經(jīng)濟(jì)增長點。13論文的主要內(nèi)容本論文回顧了微帶貼片天線和天線陣列的發(fā)展歷程以及它的意義，介紹了天線的各項基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)和工作其原理，并使用電磁波仿真軟件Ansoft HFSS 12對微帶貼片天線進(jìn)行建模和仿真，分析微帶貼片天線的幾何參數(shù)和饋點位置參數(shù)與輸入阻抗的關(guān)系。本文的主要內(nèi)容安排如下：第一章：緒論。首先簡要介紹了微帶貼片天線和天線陣列的發(fā)展歷程和它的意義，最后闡述了本文的主要內(nèi)容的安排。第二章：天線的主要特性參

17、數(shù)。介紹天線的主要特性參數(shù)，方向特性及方向圖、效率增益、阻抗特性、駐波比、頻帶寬度等。以及影響特性參數(shù)的因數(shù)。第三章：詳細(xì)介紹了矩形微帶貼片天線的各個天線特性參數(shù)。第四章：詳細(xì)介紹了2.4GHz的矩形微帶貼片的物理參數(shù)的計算步驟，利用電磁場仿真軟件HFSS根據(jù)天線的初步物理參數(shù)和天線的具體形狀，設(shè)計了一組2*2個陣元的微帶貼片天線。并進(jìn)行仿真。第五章：給出三種貼片天線的仿真結(jié)果，并對其進(jìn)行必要的分析。第六章：結(jié)論。總結(jié)了整個論文的的實驗過程及主要成果，在此基礎(chǔ)上提出本論文的不足之處并對今后進(jìn)一步研究方向進(jìn)行展望。2天線主要特性參數(shù)21 2.4G信道的意義影響現(xiàn)代無線通信發(fā)展的一個重要因素，就是

18、不可再生的頻譜資源。通常，為保證通訊的正常進(jìn)行，該資源由一國政府統(tǒng)一管理。各國政府的電信管理部門組成ITU,負(fù)責(zé)對全球無線電頻譜的使用進(jìn)行協(xié)調(diào)和分配，其下屬的全球無線電管理委員會(WARC)專門負(fù)責(zé)頻譜資源的劃分。在第二代移動通信系統(tǒng)(800/900MHz)大量發(fā)展的基礎(chǔ)上，為擴(kuò)大容量并兼顧成本和市場，1992年，WARC為未來的移動通信業(yè)務(wù)和衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)劃分和擴(kuò)展了新的工作頻段，以支持無線通信的發(fā)展。其中，對未來移動通信頻譜分段的決定如下:1710MHz-2690MHz，在世界范圍內(nèi)靈活應(yīng)用，鼓勵移動業(yè)務(wù)使用;1885MNz-2025MHz和2110MHz-2200MHz，用于IMT20

19、00協(xié)調(diào)和發(fā)展世界范圍的移動通信。1980MHz-2010MHz(上行)和2170MHz-2200MHz(下行)用于第三代移動通信的移動衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。為了促進(jìn)無線局域通信應(yīng)用的發(fā)展，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于1985年開放了9.02GHz, 5.8GHz及2.4GHz三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻段，允許在低發(fā)射功率下無執(zhí)照使用這些頻段。1991年，歐洲無線電委員會(ERC)也公布了一組無線局域網(wǎng)建議頻段，分別是:2.4GHz, 5.8GHz, 17.1GHz, 24GHz和60.2GHz ISM頻段。我國無線電委員會也規(guī)定了2.4GHz-2.5GHz頻段將應(yīng)用于未來移動通信和無線接入應(yīng)

20、用。22方向圖及方向系數(shù)（1）方向圖 離開天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場強(qiáng)度在空間的相對分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為天線的方向性函數(shù);把方向性函數(shù)用圖形表示出來就是方向圖。E面方向圖指與電場平行的平面內(nèi)輻射方向圖;H面方向圖指與磁場平行的平面內(nèi)輻射方向圖。最大輻射波束通常稱為方向圖的主瓣。主瓣旁邊的幾個小的波束叫旁瓣。方向圖寬度一般是指主瓣寬度即從最大值下降一半時兩點所張的夾角。一般是方向圖越寬，增益越低;方向圖越窄，增益越高。（2）.方向系數(shù)上述方向圖參數(shù)雖能從一定程度上描述方向圖的狀態(tài)，但它們一般僅能反映方向圖中特定方向的輻射強(qiáng)弱程度，未能反映輻射在全空間的分布狀態(tài)，因而不能單獨體現(xiàn)天線的

21、定向輻射能力。方向系數(shù)就能夠定量地表示天線定向輻射能力的電參數(shù)。方向系數(shù)定義為:在同一距離及相同輻射功率的條件下，天線在最大輻射方向上的輻射功率密度S max和無方向性天線(點源)的輻射功率密度S0之比。則方向系數(shù)D： （2-1）23天線的效率由于入射波反射的存在，天線不可能把入射功率全部提供到天線的輸入端口作為天線的輸入功率。同時，天線也不可能把從饋線輸入給它的輸入功率全部輻射出去，總有一部分要損耗掉，如天線導(dǎo)線中的熱損耗、介質(zhì)中的介質(zhì)損耗、地電流的損耗以及天線近旁物體吸收電磁波引起的損耗等。天線效率定義為：天線輻射功率與輸入到天線的總功率之比，記為，即： （2-2）24天線增益及增益系數(shù)（

22、1）天線增益天線增益是在波陣面某一給定方向天線輻射強(qiáng)度的量度。天線增益的定義是：在輸入功率相等（）的條件下，天線在最大輻射方向上某點的功率密度和理想的無方向性天線在同一點處的功率密度（或場強(qiáng)振幅的平方值）之比，即 （2-3）（2）增益系數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積，記為，即 （2-4）在實際中，天線的最大增益系數(shù)是比方向系數(shù)更為重要的電參量，即使它們密切相關(guān)。25天線的阻抗特性天線輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流之比，即 （2-5）天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率。當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計頻率時，天線與傳輸線的匹配

23、變壞，致使傳輸線上電壓駐波比增大，天線效率降低。26天線的駐波比在入射波和反射波相位相同的地方，電壓振幅相加為最大電壓振幅，形成波腹;而在入射波和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅，形成波節(jié)。其它各點的振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波稱為行駐波。波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比稱為駐波系數(shù)，也叫電壓駐波比，記為VSWR，其值在1到無窮大之間。 （2-6）駐波比為1，表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。27天線的帶寬天線的頻帶寬度的定義為：中心頻率兩側(cè)，天線的特性下降到還能接受的最低限（一般取

24、3dB）時兩頻率間的差值。在天線頻寬度的范圍里，天線的各種特性參數(shù)應(yīng)滿足一定的要求標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計頻離時，往往會引起天線參數(shù)的變化，例如主瓣寬度增大、副瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞、輸入阻抗與饋線失配加劇、方向性系數(shù)和輻射效率下降等等。3矩形微帶貼片天線的設(shè)計31 HFSS簡介HFSS（High Frequency Simulator Structure）是美國Ansoft公司開發(fā)的一個用于任意三維無源器件的高性能的全波電磁(EM)場仿真器，它采用類似于Microsoft Windows的圖形用戶界面。它集成了實體模型輸入、自動設(shè)置網(wǎng)格、精確仿真和圖形化處理等功能。

25、HFSS有一個易學(xué)、易用的環(huán)境，并且能夠快速、準(zhǔn)確地得到三維電磁問題的解，參考文獻(xiàn)3中有關(guān)于HFSS的使用方法，Ansoft HFSS使用有限元法(FEM )，自適應(yīng)劃分網(wǎng)格和杰出的圖形界面。HFSS 具有精確的場仿真器，強(qiáng)大的電性能分析和后處理功能可以用于分析、計算并顯示下列參數(shù)。*S、Y、Z等參數(shù)矩陣；*電壓駐波比（VSWR）；*端口阻抗和傳播常數(shù)；*電磁發(fā)布和電流發(fā)布；*天線輻射方向圖和各種天線參數(shù)，如增益、方向性、波束寬度等。HFSS能進(jìn)行全面的全參數(shù)化設(shè)計，從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及所有后處理。該軟體強(qiáng)大的參數(shù)化三維建模能力，和高性能的圖形能力，大大節(jié)省了工程師的設(shè)計時間。直

26、觀的分析設(shè)置和高級的分析控制確保在全自動化方式下獲得設(shè)計師所希望的設(shè)計結(jié)果。利用 Optimetrics可自動實現(xiàn)最優(yōu)化和參數(shù)化掃瞄設(shè)計，且很容易在桌面上同一項目樹中直接訪問進(jìn)入。在優(yōu)化設(shè)計分析技術(shù)中增強(qiáng)了敏感性分析和統(tǒng)計分析功能，其利用HFSS參數(shù)化分析能力自動設(shè)計分析制造公差帶來的性能變化。另外，通過腳本語言VB和JavaScript全面控制HFSS和專用化定制。腳本也能支持強(qiáng)大的宏記錄，可以用來定義參數(shù)化幾何結(jié)構(gòu)，執(zhí)行用戶分析流程或控制從開始到結(jié)束的整個設(shè)計流程。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，現(xiàn)今HFSS以其無與倫比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技

27、術(shù)，已經(jīng)成為三維電磁仿真設(shè)計的首選和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師們高效的設(shè)計各種微波結(jié)構(gòu)。HFSS軟件的一般仿真流程圖如圖3-1:建模解算建立邊界條件和饋電端口結(jié)束定義材料設(shè)置參數(shù)觀看仿真結(jié)果圖3-1 仿真流程圖3.2基片材料的選取設(shè)計微帶天線的第一步是選擇合適的基片，基片材料一般由低損耗介質(zhì)單面或雙面銅、敷鋁或敷金組成。基片材料一般有聚四氟乙烯（FR4）、聚苯乙烯、陶瓷等。本文選取的基片材料為：FR4。3.3輻射貼片的大小 基片選擇合適后，根據(jù)天線要求的中心頻率和基片介電常數(shù);厚度h可用下式設(shè)計出高效率輻射貼片的寬度W，即 （4-1

28、） 其中，c為光速。 當(dāng)選用小于式(4-1)的寬度時，輻射元的效率將降低;而選用大于式(4-1)的寬度時，雖然輻射效率較高，但這時產(chǎn)生高次模，進(jìn)而引起場的畸變。 再綜合考慮邊緣縮短效應(yīng)等情況后，也可以用以下公式設(shè)計出高效率輻射貼片的長度L，即 （4-2）其中， (4-3) (4-4)3.4饋電方式的選擇 目前，主要的饋電方式有兩種：側(cè)饋方式和同軸饋電方式。其中，同軸線直接與天線接觸，并且與貼片隔離，故輻射效率稍高一些，帶寬也較前者大一些。但是同軸線與貼片的焊接比較容易斷裂，并且同軸線只能用于單個貼片。另一方面， 傳統(tǒng)的微帶線側(cè)饋微帶天線在增益、阻抗帶寬和軸比帶寬上有固有的缺陷，無法獲得帶寬較高

29、的高增益天線。因此，本論文將仿照天線陣列的方式，將各個貼片通過微帶線連接組成陣列，再在恰當(dāng)?shù)奈恢眠\用同軸饋電方式對天線進(jìn)行饋電。3.5介質(zhì)基板的大小以及選擇 介質(zhì)基板的過多向外延伸對這種電磁場分布沒有明顯影響。在較低頻段工作時，從減小天線重量及安裝面積和降低成本著眼，基片寬度WG和基片長度LG的尺寸應(yīng)盡可能小，試驗表明沿輻射元各邊向外延伸/10就可以了。因此，背饋情況下，介質(zhì)基板長度LG: (4-5)介質(zhì)基板寬度WG： （4-6）其中， （4-7）3.6 2.4GHz微帶天線參數(shù)計算此矩形微帶貼片天線選用微帶天線的介質(zhì)基板為FR4(聚四氟乙烯)，此介質(zhì)的相對介電常數(shù):r=4.4，基板的厚度h

30、= 5 mm，微帶天線的中心頻率f0=2.4GHz。把以上參數(shù)代入本章上面的的設(shè)計公式計算得到初步的矩形微帶貼片天線的參數(shù):單個輻射元長度L=27.8mm； 單個輻射元寬度W=38mm；介質(zhì)內(nèi)波長=59.6mm;介質(zhì)板長度為Ls=160mm；介質(zhì)板寬度為Ws=160mm。42.4GHz RFID閱讀器微帶天線的實現(xiàn)41建模 打開HFSS，新建一個工程文件，三維模型窗口(3D Modeler Window)是用戶繪制模型結(jié)構(gòu)的窗口，天線模型的建立在此窗口中完成，建模是按一比一的比例來進(jìn)行的，首先要根據(jù)以上計算出的微帶貼片天線理論參數(shù)進(jìn)行建模，但這個核型是要不斷調(diào)整的。 因為設(shè)計中使用的計算公式都

31、是經(jīng)驗公式，而仿真的結(jié)果是基于實際情況的。因此，仿真結(jié)果與理論情況有偏差，這種偏差可以通過對天線模型的調(diào)整加以改善。中心頻率與貼片長度密切相關(guān)。經(jīng)過實驗，當(dāng)貼片長度調(diào)整到L = 26.8mm時，將中心頻率調(diào)整到2.4GHz上，實現(xiàn)最佳。在HFSS 12中建立模型（如圖5-1），微帶貼片天線具體參數(shù)如下表，這些參數(shù)都是通過HFSS對天線模型進(jìn)行多次仿真，反復(fù)分析其天線特性，最終得到滿足最佳天線特性的天線物理參數(shù)，如表4-1：表4-1圖 形起 點 坐 標(biāo)尺 寸（dx*dy*dz）（mm）材 料邊 界介質(zhì)板（Substrate）-80，-80，-5160*160*5FR4接地面（GND）-80，-8

32、0，-5160*160*0Perfect E貼片1（Patch_1）-50.65，-56.25,026.8*38*0Perfect E貼片2（Patch_2）-50.65，56.25,026.8*-38*0Perfect E貼片3（Patch_3）50.65，56.25,0-26.8*-38*0Perfect E貼片4（Patch_4）50.65，-56.25,0-26.8*38*0Perfect E微帶線1（Mic_1）-23.85,-37.75,047.7*1*0Perfect E微帶線2（Mic_2）-23.85,37.75,047.7*-1*0Perfect E微帶線3（Mic_3）-

33、1.2 ,-36.75 ,02.4*73.5*0Perfect E同軸線（Pin）0,0,-50.5*0*5pec饋電面（Prot）0,0,-51.5*0*0Lumped RLC饋電面內(nèi)環(huán)（Cut）0,0,-50.5*0*0Perfect E輻射邊界（Air）-120 ,-120 ,-35240*240*70Radiation42材料定義右擊介質(zhì)板(Substrate)，選擇assign material，彈出select definition窗口，在里面選擇FR4，單擊ADD material，把的介質(zhì)板材料定義為了FR4, FR4的介電常數(shù)為4.4。43定義饋電端口激勵端口是一種允許能量進(jìn)

34、入或?qū)С鰩缀谓Y(jié)構(gòu)的邊界條件。選定饋電面(Prot)，右擊選擇assign excitation，在里面選擇Lumped port,而后會彈出畫積分線的窗口，積分線是從饋電圓環(huán)外園指向內(nèi)園，采用的是同軸饋電方式，如圖4-1圖4-144定義邊界邊界種類6理想電邊界(Perfect E )Perfect E是一種理想電導(dǎo)體或簡稱為理想導(dǎo)體。這種邊界條件的電場(E-Field )垂直于表面。有兩種邊界被自動地賦值為理想電邊界。理想磁邊界(Perfect H ) Perfect H是一種理想的磁邊界。邊界面上的電場方向與表面相切。自然邊界(Natural )當(dāng)理想電邊界與理想磁邊界出現(xiàn)交疊時，理想磁邊界

35、也被稱為Natural邊界。有限電導(dǎo)率(Finite Conductivity)邊界有限電導(dǎo)率邊界將使你把物體表面定義為有耗(非理想)的導(dǎo)體。它是非理想的電導(dǎo)體邊界條件。分層阻抗(Layered Impedance)邊界在結(jié)構(gòu)中多層薄層可以模擬為阻抗表面。使用分層阻抗邊界條件進(jìn)一步的信息可以在在線幫助中尋找。集總RLC (Lumped RLC)邊界一組并聯(lián)的電阻、電感和電容組成的表面。這種仿真類似于阻抗邊界，只是軟件利用用戶提供的R, L和C值計算出以ohms/square為單位的阻抗值。無限地平面(Infinite Ground Plane)通常，地面可以看成是無限的、理想電壁、有限電導(dǎo)率或

36、者是阻抗的邊界條件。輻射邊界(Radiation)輻射邊界也被稱為吸收邊界。輻射邊界使你能夠模擬開放的表面。即波能夠朝著輻射邊界的方向輻射出去。系統(tǒng)在輻射邊界處吸收電磁波，本質(zhì)上就可把邊界看成是延伸到空間無限遠(yuǎn)處。輻射邊界可以是任意形狀并且靠近結(jié)構(gòu)。這就排除了對球形邊界的需要。對包含輻射邊界的結(jié)構(gòu)，計算的S參數(shù)包含輻射損耗。當(dāng)結(jié)構(gòu)中包含輻射邊界時，遠(yuǎn)區(qū)場計算作為仿真的一部分被完成。設(shè)置邊界右點擊接地面GND，選擇assign boundary，在里面選擇有限電導(dǎo)率(Perfect E)邊界。同理，貼片(Patch)，微帶線(Mic)的邊界都設(shè)置為有限電導(dǎo)率(Perfect E)邊界。輻射邊界(

37、Air)的邊界設(shè)置為輻射邊界(Radiation)。45設(shè)置求解參數(shù)進(jìn)入設(shè)置求解參數(shù)菜單，自適應(yīng)中心頻率設(shè)為2.4GHz，迭代誤差設(shè)為0. 02 ,迭代次數(shù)設(shè)為15，設(shè)置如圖4-2:圖4-246設(shè)置掃描設(shè)定并進(jìn)行求解 右擊Analysis列表下的Setup1，選擇Add Frequency Sweep，進(jìn)入Edit Sweep界面進(jìn)行掃描設(shè)定，具體設(shè)定如下圖4-3所示。然后點擊OK按鈕。圖4-3點擊Validate按鈕，檢驗天線模型的設(shè)置是否正確，不正確會有錯誤提示，重新設(shè)置，正確后，點擊Analyze按鈕進(jìn)行求解。4.7天線參數(shù)顯示設(shè)置 出于天線參數(shù)的特殊的計算設(shè)置確定計算場的區(qū)域，所以，天

38、線參數(shù)的顯示需要分兩個步驟：創(chuàng)建無限大球的設(shè)置 選擇HFSS>Radiation > Insert Far Field Setup > Infinite Sphere，修改其中的角度數(shù)據(jù)，以滿足希望的方向性圖輻射模式。選擇HFSS > Results > Create Modal Solution Data Report(或者Create Far Fields Report)，然后選擇所需報表類型，繪圖種類，最后在Traces對話框中選擇繪圖的數(shù)目，選擇New Report和Apply trace,最后點擊close完成操作。以上兩步基本完成天線參數(shù)的顯示，下面將

39、對矩形微帶天線的特性參數(shù)進(jìn)行分析。5天線仿真結(jié)果分析5. 1單個輻射源的特性天線模型圖5-1 單輻射源天線模型三維方向性圖：圖5-2 3D增益由上圖5-2可見，單個輻射源在Z軸發(fā)現(xiàn)上有很好的方向性。同時，我們也可以看出其輻射強(qiáng)度比較小，最大方向上的輻射強(qiáng)度也低于6dB。因此，下面我們需要運用矩陣的方法提高增益。5. 2四單元輻射源I的特性天線模型圖5-3四單元輻射源天線模型 采用最原始的四個輻射源對稱排列，再用適當(dāng)阻抗的微帶線連接起來。三維方向性圖：圖5-4 天線方向圖由上圖5-4可以看出，雖然天線陣的增益提高了，但是在方向性上仿真效果依然不理想，在正Z軸方向上增益比較低。 二維天線增益圖：圖

40、5-5 2D天線增益從天線的增益圖(圖5-5)上，可以看到最大增益為8.3363dB。雖然微帶貼片因為功率容量較小，有損耗，因而增益較低，但是由于本文選用了四個輻射源陣列，故而也達(dá)到了預(yù)想的增益。但是，由于增益圖中主瓣、副瓣不明顯，增益系數(shù)不高。天線的輸入反射系數(shù)圖：圖5-6 天線反射系數(shù)在掃描頻率范圍為1GHz-4GHz時，由圖6-2，可以看出反射系數(shù)的最小值處即是天線的中心頻率為2.4GHz，在中心頻率上的反射系數(shù)為-12.6801dB。5.3四單元輻射源II的特性天線模型圖5-7 四單元輻射源II天線模型三維方向性圖：圖5-8 3D增益圖由上圖5-8可以看出，天線陣的增益提高了，但是在方向性上仿真效果比較理想，在正Z軸方向上增益也達(dá)到了要求。二維天線增益圖：圖5-9 2D增益圖從天線的增益圖5-9上，可以看到在天線Theta等于0deg處有最大增益11.9234dB。雖然微帶貼片因為功率容量較小，有損耗，因而增益較低，但是由于本文選用了四個輻射源陣列，故而也達(dá)到了預(yù)想的增益。天線的S11參數(shù)：圖5-10 輸入發(fā)射系數(shù)在掃描頻率范圍為1GHz-4GHz時，由圖5-10，可以看出反射系數(shù)的最小值處即是天線的中心頻率為2.4GHz，在中心頻率上的反射系數(shù)為-15.577dB，這也滿