小型雙頻貼片天線的設計制作分析

1、小型雙頻貼片天線的設計制作分析本章設計了一款應用于RFID的雙頻印刷天線.此天線可以同時工作在2.4GHz和5/7GHw兩個頻段*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，本文通過優(yōu)化縫隙的形狀與尺寸*力求反射損耗小于-15dB時天線在兩個頻段的帶寬分別達到200MHz和500MHz以上.RFID系統(tǒng)對天線的尺寸要求較高，這里將采用添加金屬線的方法來減小天線的尺寸卩5-2天線結構瑚過肅文對幾種方法的對比研究,本文將采用一種橢圓槽加載的單扱子天線實現(xiàn)雙頻工作.天線的結構如圖5J所示，L和W分別表示金屬地板的長和寬，在金風地板上開一個橢圓形的縫隙.在橢圓縫隙的側邊加開一個小三角形補償隙

2、.a2.b2表示橢圓的長軸和短軸尺寸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（在后文將會分析h其尺寸分別為aKb頭基片另一側的矩形微帶線用來對縫隙單元I#電*即圖中有陰影的矩形.介質基板采用FR/材料，其介電常數(shù)是44厚度是1.6mm.圖51天線的結構圖5.3軟件仿真結果及分析下面使用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頻率點時的電流分布分別如圖52、圖5-3所示.由圖可以看出，在2.4GHz頻率點時，

3、金屬線產生的感應電流沿著橢圓形縫隙對稱地向兩邊流動由電流路徑可知，此時天線可以等效為一個工作在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有折線，電流不會在線段拐彎處產生突變，很大程度上改善了天線性能.同時，通過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,從而減小了天線的尺寸.圖5-3中心頻率為5.7GHz時的電流分布如圖53所示，天線工作在5.7GHz時形成了新的電流路徑.沿著縫隙邊緣電流出現(xiàn)了截斷區(qū)，在縫隙的下半部分（即圖中左半部分）形成一個新的高頻的諧振電流通過圖2和圖3的電流分布可知，兩個諧振頻率分別為槽的全波長模式和半波長模式，因而實現(xiàn)了天線同時工作

4、在兩個不同的頻率下.5.32天線的反射損耗天線的反射損耗曲線仿真結果如圖5,所示.天線有兩個工作頻段，反射損耗小于15dB時工作范圍是2.3482.625GHz和53676.475GHz,中心頻率分別為2.486GHz和5.843GHz低頻段的絕對帶寬為277MHz,相對帶寬為11.2%.髙頻段的絕對帶寬為1111MHz,相對帶寬為19.0%。上述參數(shù)完全滿足設計要求，可以應用于2.4GHz和5.7GHz兩個工作頻段的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兩個工作頻段隨THETA角而變化的增益曲線.由圖可知，在theta=0度時，有最大增益，分別可以達到3dB和1.4dB,且兩個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,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:ISO圖W天線工作在5.7GHz的輻射方向圖由圖5-5."

6、;可見，在兩個頻段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對設計的天線各部分尺寸反復優(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實測結果和分析由圖5»7可見，低頻段的絕對帶寬為410MHz,相對帶寬為17.1%,高頻段的絕對帶寬為760MHz,相對帶寬為13.3%,完全達到設計要求.(a)Sil的實測結果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)實測結果的具體值圖57天線的實測結果圖58是實測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兩個頻率點時，其阻抗分別為和49.480+j0.667Q可知，天線在2.4GHz和5.7GHz時都能達到很好的匹配效果/、1.257于"5O»24Q3.5705Q:

8、/、1.257于"5O»24Q3.5705Q:圖58阻抗匹配測試結果通過上述測試結果可見，此天線完全滿足我們的設計要求，可以應用在射頻識別的2.4GHz和5.7GHz兩個頻段.RFID的應用正日趨廣泛，尤梵是應用于零售業(yè)Z后，對RFID系統(tǒng)標簽天線的體積、成本等的要求越來越高.標簽天線的小型化成為當前研究的一個熱點標簽天線的另一個研究熱點長天線的雙頻工作.因為RFID在全球范用內沒有一個統(tǒng)一的標準，各國對頻段的劃分有所不同，天線采用雙頻工作模式時可以增加RFID系統(tǒng)的兼容性本文分析了貼片天線實現(xiàn)小型化和雙頻工作的發(fā)展現(xiàn)狀，對比了實現(xiàn)小型化和雙頻工作的幾種方法在文中分別對矩形

9、貼片天線和偶極子貼片天線進行小型化設計和仿真研究.本文的主要研究工作如下；本文根期微帶天線的輻射機理，利用傳輸線等效法推導出矩形貼片天線和偶極子貼片天線的尺寸計算公式為天線的設計和優(yōu)化提供了理論基礎.1. 通過理論計算得到天線的基本尺寸后，本文利用仿真軟件ADS對矩形站片天線和偶極子貼片天線進行建模仿真.并利用ADS對貼片天線進行自動優(yōu)化，顯示了ADS的強大功能.2. 本文對矩形貼片天線和偶極子天線分別進行小型化設計。以矩形貼片天線為基礎，本文設計了一款小型化貼片天線.利用開鋸齒邊緣實現(xiàn)天線的小型化為了提高天線性能，進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現(xiàn)小型化.3. 本文進一步設計了一款小型雙頻貼片天線.通過添加金屬線和橢圓形縫隙加載分別實現(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. 加工了本文設計的兩款貼片天線：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.測試結果與仿真結果一致，滿足設計要求，驗證