2.4-GHz-RFID閱讀器微帶天線設(shè)計(jì)

東 莞 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：2.42.4 GHzGHz RFIDRFID 閱讀器微帶天線設(shè)閱讀器微帶天線設(shè) 計(jì)計(jì) 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名：XXXXXX 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：200741302XXX200741302XXX 系系 別：電子工程學(xué)院別：電子工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：通信工程專業(yè)班級(jí)：通信工程 2 2 班班 指導(dǎo)教師姓名及職稱：賴穎昕（講師）指導(dǎo)教師姓名及職稱：賴穎昕（講師） 起止時(shí)間：起止時(shí)間：20102010 年年 1010 月月 20112011 年年 5 5 月月 精品文檔 。 - 1 -歡迎下載- 1 -歡迎下載- 1 -歡迎下載 摘摘 要要 本文研究的是微帶天線的設(shè)計(jì)，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(jì)研究的重點(diǎn)，它適 用于射頻/無(wú)線通信天線及其他任意形狀三維電磁場(chǎng)仿真。HFSS 是 業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件包，它提供了簡(jiǎn)潔直觀的用戶 設(shè)計(jì)界面、精確自適應(yīng)的場(chǎng)求解器，擁有空前電性能分析能力的功 能強(qiáng)人后處理器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)和全波電 磁場(chǎng)。 本文給出了設(shè)計(jì)矩形微帶線貼片的設(shè)計(jì)公式，然后，詳細(xì)描 述了設(shè)計(jì)中心頻率為 2.4GHz 矩形微帶天線的整個(gè)的流程：第一步根 據(jù)設(shè)計(jì)公式計(jì)算出初步的微帶天線的物理尺寸，由于計(jì)算天線的物 理尺寸使用的計(jì)算公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，與實(shí)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(chǎng)仿真軟件 HFSS 中來(lái)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(lái)模仿實(shí)際中的天線，最后對(duì)天線輻射特 性進(jìn)行仿真，并通過(guò)不斷調(diào)整天線模型的各個(gè)參數(shù)，來(lái)使天線的輻 射特性能夠符合設(shè)計(jì)要求，從而得到天線的最佳物理參數(shù)。 精品文檔 。 - 2 -歡迎下載- 2 -歡迎下載- 2 -歡迎下載 仿真結(jié)果表明，這幾款設(shè)計(jì)出來(lái)的微帶天線有較好的輻射特性和 阻抗特性，能適用于 RFID 無(wú)線通信場(chǎng)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 矩形微帶天線； HFSS 軟件；仿真 AbstractAbstract The 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) electromagnetic 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 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 精品文檔 。 - 3 -歡迎下載- 3 -歡迎下載- 3 -歡迎下載 antenna are 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 antennas model is set up in HFSS which is electromagnetic simulation software. The antennas radiating character is simulated by HFSS, so we can adjust the antennas parameters until its radiating character fits in with the designing demands. The antennas optimization parameters are gained in this way. The simulation result indicates that the microstrip antennas designs have good radiation characteristics and impedance characteristics, which can be used in RFID system. KeyKey wordswords：rectangular microstrip antenna； HFSS software； simulation 精品文檔 。 - 4 -歡迎下載- 4 -歡迎下載- 4 -歡迎下載 目錄目錄 1 1、 緒論緒論- - 1 1 - - 1 11 1 論文的研究背景及意義論文的研究背景及意義- - 1 1 - - 1 12 2 RFIDRFID 系統(tǒng)的主要應(yīng)用系統(tǒng)的主要應(yīng)用- - 1 1 - - 1 13 3 論文的主要內(nèi)容論文的主要內(nèi)容- - 2 2 - - 2 2天線主要特性參數(shù)天線主要特性參數(shù)- - 1 1 - - 2 21 1 2.4G2.4G 信道的意義信道的意義 - - 1 1 - - 2 22 2 方向圖及方向系數(shù)方向圖及方向系數(shù)- - 1 1 - - 2 23 3 天線的效率天線的效率- - 2 2 - - 2 24 4 天線增益及增益系數(shù)天線增益及增益系數(shù)- - 2 2 - - 2 25 5 天線的阻抗特性天線的阻抗特性- - 3 3 - - 2 26 6 天線的駐波比天線的駐波比- - 3 3 - - 2 27 7 天線的帶寬天線的帶寬- - 3 3 - - 3 3矩形微帶貼片矩形微帶貼片天天線的設(shè)計(jì)線的設(shè)計(jì)- - 4 4 - - 精品文檔 。 - 5 -歡迎下載- 5 -歡迎下載- 5 -歡迎下載 3 31 1 HFSSHFSS 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 - - 4 4 - - 3.23.2 基片材料的選取基片材料的選取 - - 5 5 - - 3.33.3 輻射貼片的大小輻射貼片的大小 - - 5 5 - - 3.43.4 饋電方式的選擇饋電方式的選擇 - - 6 6 - - 3.53.5 介質(zhì)基板的大小以及選擇介質(zhì)基板的大小以及選擇 - - 6 6 - - 3.63.6 2.4GHz2.4GHz 微帶天線參數(shù)計(jì)算微帶天線參數(shù)計(jì)算- - 7 7 - - 4 42.4GHZ2.4GHZ RFIDRFID 閱讀器微帶天線的實(shí)現(xiàn)閱讀器微帶天線的實(shí)現(xiàn)- - 7 7 - - 4 41 1 建模建模- - 7 7 - - 4 42 2 材料定義材料定義- - 8 8 - - 4 43 3 定義饋電端口定義饋電端口- - 8 8 - - 4 44 4 定義邊界定義邊界- - 9 9 - - 4 45 5 設(shè)置求解參數(shù)設(shè)置求解參數(shù) - - 1010 - - 4 46 6 設(shè)置掃描設(shè)定并進(jìn)行求解設(shè)置掃描設(shè)定并進(jìn)行求解 - - 1010 - - 4.74.7 天線參數(shù)顯示設(shè)置天線參數(shù)顯示設(shè)置- - 1111 - - 5 5天線仿真結(jié)果分析天線仿真結(jié)果分析- - 1111 - - 5.5. 1 1 單個(gè)輻射源的特性單個(gè)輻射源的特性 - - 1111 - - 5.5. 2 2 四單元輻射源四單元輻射源 I I 的特性的特性 - - 1212 - - 5.35.3 四單元輻射源四單元輻射源 IIII 的特性的特性 - - 1414 - - 6 6結(jié)論結(jié)論- - 1818 - - 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) - - 1919 - - 致致 謝謝 - - 2020 - - 精品文檔 。 - 6 -歡迎下載- 6 -歡迎下載- 6 -歡迎下載 引言 隨著現(xiàn)代無(wú)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(wú)論是大 到雷達(dá)導(dǎo)彈飛機(jī)衛(wèi)星還是小到手持移動(dòng)電話都希望裝置體積越小越薄，重量越 輕越好，來(lái)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(diǎn) 天線的設(shè)計(jì)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(jià)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(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。 本文為東莞理工學(xué)院 09 年院“創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目的后續(xù)設(shè)計(jì)。由于 之前的設(shè)計(jì)存在著增益較小、帶寬不大和結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的缺點(diǎn)，故本文將重新 設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的 RFID 閱讀器微帶天線。 本文采用 Ansoft HFSS 12 電磁場(chǎng)仿真軟件設(shè)計(jì)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(guò)微帶線連結(jié)四個(gè)矩形微帶貼片輻射 源，并在脊形接地板頂端用同軸探針對(duì)匹配微帶線進(jìn)行饋電。 精品文檔 。 - 7 -歡迎下載- 7 -歡迎下載- 7 -歡迎下載 精品文檔 。 - 1 -歡迎下載- 1 -歡迎下載- 1 -歡迎下載 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(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一類新型天線。常用的一類微帶 貼片天線是在一個(gè)薄介質(zhì)（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(duì)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(diǎn)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(jiǎn)單，成本低；電氣上的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)線極化或圓 極化和雙頻率工作。其主要缺點(diǎn)是頻帶窄，效率低。這是因?yàn)槲зN片天線實(shí) 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 的寬廣 頻域上，包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、導(dǎo)彈、遙測(cè)遙控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、 便攜式無(wú)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(jiàn)的有矩形、 菱形、圓形等。陣列規(guī)模是由具體的設(shè)計(jì)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(guó)政府在 1993 年制定的金卡工程實(shí)施計(jì)劃及全國(guó)范圍的金融卡網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 的 10 年規(guī)劃，是一個(gè)旨在加速推動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程的重大國(guó)家級(jí)工程。 由此各種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用十分迅猛?，F(xiàn)在，射頻識(shí)別技術(shù)作為一種 新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，正在中國(guó)很快地普及。RFID 技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)自 動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，因此，RFID 系統(tǒng)有著廣闊 的應(yīng)用前景。 （1）高速公路運(yùn)輸管理。將 RFID 系統(tǒng)用于高速公路自動(dòng)收費(fèi)，我們稱之 為電子收費(fèi)系統(tǒng)，安裝射頻卡的汽車可以 120km /h 以內(nèi)的速度通過(guò)收費(fèi)口，讀 出設(shè)備可快速、準(zhǔn)確地記錄通過(guò)車輛的編號(hào)或帳號(hào)信息，實(shí)現(xiàn)高速公路通行費(fèi) 的自動(dòng)征收與管理，提高了公路的運(yùn)行效率，克服了人工收費(fèi)所造成的交通堵 精品文檔 。 - 2 -歡迎下載- 2 -歡迎下載- 2 -歡迎下載 塞等弊端。通過(guò)采用 ETC 系統(tǒng)，中國(guó)的公路基礎(chǔ)設(shè)施將會(huì)得到改善。此項(xiàng)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(shí)別系統(tǒng)可應(yīng)用于大型停車場(chǎng)、軍事重地、金 融系統(tǒng)等地方的車輛自動(dòng)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(guò)讀寫(xiě)器時(shí)，讀寫(xiě)器可快速、準(zhǔn)確地記錄下所通過(guò)的車輛信息及通過(guò)的時(shí)間， 同時(shí)還可對(duì)是否允許通過(guò)做出判斷，自動(dòng)控制出入大門開(kāi)關(guān)，作到出入嚴(yán)格管 理。 （3）鐵路運(yùn)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(yùn)行， 所以可以在沿途安放讀寫(xiě)器以便監(jiān)控火車的運(yùn)行。將貨車車號(hào)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(guò)讀出點(diǎn)時(shí)，讀寫(xiě)器通過(guò) 天線接收射頻卡反射回的帶有貨車車號(hào)信息的電子信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后， 自動(dòng)顯示或打印出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了貨車車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別，克服了人工抄錄造成 的勞動(dòng)強(qiáng)度高、出錯(cuò)概率大、工作效率低等缺點(diǎn)，并能夠辨認(rèn)火車的身份，監(jiān) 控火車的運(yùn)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(shí)在車站還能將車廂重新編組。 （4）集裝箱運(yùn)輸管理。發(fā)達(dá)國(guó)家的貨運(yùn)，包括海洋運(yùn)輸和鐵路、公路運(yùn) 輸，主要采用集裝箱運(yùn)輸，既安全又便于物流管理。由于集裝箱運(yùn)輸種類繁多、 復(fù)雜，采用射頻識(shí)別系統(tǒng)后就可做到對(duì)各類集裝箱進(jìn)行自動(dòng)登記、抄錄。在集 裝箱上安裝射頻卡，在卡中寫(xiě)入集裝箱號(hào)及箱內(nèi)貨物編號(hào)、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(yùn)或到達(dá)港站時(shí)，RFID 系統(tǒng)對(duì)其進(jìn) 行識(shí)別和數(shù)據(jù)信息交換。 （5）倉(cāng)儲(chǔ)管理。RFID 系統(tǒng)用于智能倉(cāng)庫(kù)貨物管理，有效地解決了倉(cāng)儲(chǔ)貨 物信息管理。對(duì)于大型倉(cāng)儲(chǔ)基地來(lái)說(shuō)，采用 RF 工 D 系統(tǒng)，管理中心就可以實(shí)時(shí) 了解貨物位置、貨物存儲(chǔ)的情況，對(duì)于提高倉(cāng)儲(chǔ)效率、反饋產(chǎn)品信息、指導(dǎo)生 產(chǎn)都有很重要的意義。 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(cè)， 任何一種應(yīng)用如果成為現(xiàn)實(shí)，都將會(huì)孕育一個(gè)龐大的市場(chǎng)。RFID 將是未來(lái)一個(gè) 新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。 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(xiàng)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(duì)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(diǎn)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(jiǎn)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(gè)天線特性參數(shù)。 精品文檔 。 - 3 -歡迎下載- 3 -歡迎下載- 3 -歡迎下載 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(jì)算步驟，利用 電磁場(chǎng)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(jì)了一組 2*2 個(gè)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(duì)其進(jìn)行必要的分析。 第六章：結(jié)論?？偨Y(jié)了整個(gè)論文的的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及主要成果，在此基礎(chǔ)上提 出本論文的不足之處并對(duì)今后進(jìn)一步研究方向進(jìn)行展望。 精品文檔 。 - 1 -歡迎下載- 1 -歡迎下載- 1 -歡迎下載 2天線主要特性參數(shù) 21 2.4G 信道的意義 影響現(xiàn)代無(wú)線通信發(fā)展的一個(gè)重要因素，就是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(guó)政府統(tǒng)一管理。各國(guó)政府的電信管理部 門組成 ITU,負(fù)責(zé)對(duì)全球無(wú)線電頻譜的使用進(jìn)行協(xié)調(diào)和分配，其下屬的全球無(wú)線 電管理委員會(huì)(WARC)專門負(fù)責(zé)頻譜資源的劃分。在第二代移動(dòng)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(chǎng)，1992 年， WARC 為未來(lái)的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)劃分和擴(kuò)展了新的工作頻段， 以支持無(wú)線通信的發(fā)展。其中，對(duì)未來(lái)移動(dòng)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(lì)移動(dòng)業(yè)務(wù)使用; 1885MNz-2025MHz 和 2110MHz-2200MHz，用于 IMT2000 協(xié)調(diào)和發(fā)展世界范圍 的移動(dòng)通信。 1980MHz-2010MHz(上行)和 2170MHz-2200MHz(下行)用于第三代移動(dòng)通信的 移動(dòng)衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)。為了促進(jìn)無(wú)線局域通信應(yīng)用的發(fā)展，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC)于 1985 年開(kāi)放了 9.02GHz, 5.8GHz 及 2.4GHz 三個(gè) ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī) 療)頻段，允許在低發(fā)射功率下無(wú)執(zhí)照使用這些頻段。1991 年，歐洲無(wú)線電委 員會(huì)(ERC)也公布了一組無(wú)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(guó)無(wú)線電委員會(huì)也規(guī)定了 2.4GHz- 2.5GHz 頻段將應(yīng)用于未來(lái)移動(dòng)通信和無(wú)線接入應(yīng)用。 22 方向圖及方向系數(shù) （1）方向圖 離開(kāi)天線一定距離處，描述天線輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間的相對(duì)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(lái)就是方 向圖。E 面方向圖指與電場(chǎng)平行的平面內(nèi)輻射方向圖 ;H 面方向圖指與磁場(chǎng) 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(gè)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(shí)兩點(diǎn)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(dú)體現(xiàn)天線的定向輻射能力。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)。 精品文檔 。 - 2 -歡迎下載- 2 -歡迎下載- 2 -歡迎下載 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(wú)方向性天線 (點(diǎn)源)的輻射功率密度 S0 之比。則方向系數(shù) D： （2-1） max 0 S D S 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(shí)，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， P i P A 即： （2-2） Li A PP P P P 24 天線增益及增益系數(shù) （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 0ii PP 射方向上某點(diǎn)的功率密度和理想的無(wú)方向性天線在同一點(diǎn)處的功率密度（或場(chǎng) 強(qiáng)振幅的平方值）之比，即 （2-3） 0 2 0 2 max 0 max ii PP E E S S G （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G （2-4） A DG 在實(shí)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)。 精品文檔 。 - 3 -歡迎下載- 3 -歡迎下載- 3 -歡迎下載 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） in in in I U Z 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(jì)頻率時(shí)，天線與傳輸線的匹配變壞，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(diǎn)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(wú)窮大之間。 1( ) ( ) 1) d VSWR d d （2-6） 駐波比為 1，表示完全匹配 ;駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實(shí)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 3dB）時(shí)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(jì)頻離時(shí)，往往會(huì)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。 精品文檔 。 - 4 -歡迎下載- 4 -歡迎下載- 4 -歡迎下載 3矩形微帶貼片天線的設(shè)計(jì) 31 HFSS 簡(jiǎn)介 HFSS（High Frequency Simulator Structure）是美國(guó) Ansoft 公司 開(kāi)發(fā)的一個(gè)用于任意三維無(wú)源器件的高性能的全波電磁(EM)場(chǎng)仿真器，它 采用類似于 Microsoft Windows 的圖形用戶界面。它集成了實(shí)體模型輸入、 自動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格、精確仿真和圖形化處理等功能。 HFSS 有一個(gè)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(wèn)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(chǎng)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(jì)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(jì)，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(jì)時(shí)間。直觀的分析設(shè)置和高級(jí)的分析控制確保在全 自動(dòng)化方式下獲得設(shè)計(jì)師所希望的設(shè)計(jì)結(jié)果。利用 Optimetrics 可自動(dòng)實(shí) 現(xiàn)最優(yōu)化和參數(shù)化掃瞄設(shè)計(jì)，且很容易在桌面上同一項(xiàng)目樹(shù)中直接訪問(wèn)進(jìn)入。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)分析技術(shù)中增強(qiáng)了敏感性分析和統(tǒng)計(jì)分析功能，其利用HFSS 參數(shù)化分析能力自動(dòng)設(shè)計(jì)分析制造公差帶來(lái)的性能變化。另外，通過(guò)腳本 語(yǔ)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(lái)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(kāi)始到結(jié)束的 整個(gè)設(shè)計(jì)流程。 經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，現(xiàn)今 HFSS 以其無(wú)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)剖分技術(shù)， 已經(jīng)成為三維電磁仿真設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效的設(shè)計(jì) 各種微波結(jié)構(gòu)。 HFSS 軟件的一般仿真流程圖如圖 3-1: 精品文檔 。 - 5 -歡迎下載- 5 -歡迎下載- 5 -歡迎下載 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(jì)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 r f r 可用下式設(shè)計(jì)出高效率輻射貼片的寬度 W，即 （4-1） 1/2 11 22 r r Wc f 其中，c 為光速。 當(dāng)選用小于式 (4-1)的寬度時(shí)，輻射元的效率將降低 ;而選用大于式 (4-1)的 寬度時(shí)，雖然輻射效率較高，但這時(shí)產(chǎn)生高次模，進(jìn)而引起場(chǎng)的畸變。 精品文檔 。 - 6 -歡迎下載- 6 -歡迎下載- 6 -歡迎下載 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(jì)出高效率輻 射貼片的長(zhǎng)度 L，即 （4-2） 1 2 2 er Lcl f 其中， (4-3) 1/2 11 10 1 22 e h W (4-4) 0.3/0.264 0.412 0.258/0.8 e e Whh l Wh 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(gè)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(wú)法獲得帶寬較高的高增益天線。因此，本論文將仿照天線陣列的方 式，將各個(gè)貼片通過(guò)微帶線連接組成陣列，再在恰當(dāng)?shù)奈恢眠\(yùn)用同軸饋電方式 對(duì)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(guò)多向外延伸對(duì)這種電磁場(chǎng)分布沒(méi)有明顯影響。在較低頻段工作 時(shí)，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(zhǎng)度 LG 的尺寸應(yīng)盡可能小，試驗(yàn)表明沿輻射元各邊向外延伸/10 就可以了。因此， g 背饋情況下， 介質(zhì)基板長(zhǎng)度 LG: 0.2LGLg (4-5) 介質(zhì)基板寬度 WG： 0.2WGWg （4-6） 其中， 精品文檔 。 - 7 -歡迎下載- 7 -歡迎下載- 7 -歡迎下載 （4-7） 0 / ge 3.6 2.4GHz 微帶天線參數(shù)計(jì)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(duì)介電常數(shù):r=4.4，基板的厚度 h = 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(jì)公式計(jì)算得到初步的矩形微帶貼片天線 的參數(shù): 單個(gè)輻射元長(zhǎng)度 L=27.8mm； 單個(gè)輻射元寬度 W=38mm； 介質(zhì)內(nèi)波長(zhǎng) =59.6mm; g 介質(zhì)板長(zhǎng)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(shí)現(xiàn) 41 建模 打開(kāi) HFSS，新建一個(gè)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(lái)進(jìn)行的，首先要根據(jù)以上計(jì)算出的微帶貼片天線理論參數(shù)進(jìn)行建模，但這 個(gè)核型是要不斷調(diào)整的。 因?yàn)樵O(shè)計(jì)中使用的計(jì)算公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，而仿真的結(jié)果是基于實(shí)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(guò)對(duì)天線模型的調(diào)整加以 改善。中心頻率與貼片長(zhǎng)度密切相關(guān)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)貼片長(zhǎng)度調(diào)整到 L = 26.8mm 時(shí)，將中心頻率調(diào)整到 2.4GHz 上，實(shí)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(guò) HFSS 對(duì)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(diǎn) 坐 標(biāo)尺 寸 （dx*dy*dz） （mm） 材 料邊 界 介質(zhì)板-80，-80，-5 160*160*5FR4 精品文檔 。 - 8 -歡迎下載- 8 -歡迎下載- 8 -歡迎下載 （Substrate） 接地面（GND）-80，-80，-5 160*160*0Perfect E 貼片 1（Patch_1 ） -50.65，-56.25,0 26.8*38*0Perfect E 貼片 2（Patch_2 ） -50.65，56.25,0 26.8*-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） -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*70Radiation 42 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(lì)端口是一種允許能量進(jìn)入或?qū)С鰩缀谓Y(jié)構(gòu)的邊界條件。 精品文檔 。 - 9 -歡迎下載- 9 -歡迎下載- 9 -歡迎下載 選定饋電面(Prot)，右擊選擇 assign excitation，在里面選擇 Lumped port,而后會(huì)彈出畫(huà)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 4-1 44 定義邊界 邊界種類6 1 理想電邊界(Perfect E )Perfect E 是一種理想電導(dǎo)體或簡(jiǎn)稱為理想導(dǎo) 體。這種邊界條件的電場(chǎng)(E-Field )垂直于表面。有兩種邊界被自動(dòng)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(chǎng)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(shí)，理想磁邊 界也被稱為 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(jì)算出以 ohms/square 為單位的阻抗值。 無(wú)限地平面(Infinite Ground Plane)通常，地面可以看成是無(wú)限的、理 想電壁、有限電導(dǎo)率或者是阻抗的邊界條件。 精品文檔 。 - 10 -歡迎下載- 10 -歡迎下載- 10 -歡迎下載 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(kāi)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(wú)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(duì)球形邊界的需要。對(duì)包含輻射邊界的結(jié)構(gòu)， 計(jì)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(shí)，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)計(jì)算作為仿真 的一部分被完成。 設(shè)置邊界 2 右點(diǎn)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(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 4-2 精品文檔 。 - 11 -歡迎下載- 11 -歡迎下載- 11 -歡迎下載 46 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 1 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(diǎn)擊 OK 按鈕。 圖 4-3 點(diǎn)擊 Validate 按鈕，檢驗(yàn)天線模型的設(shè)置是否正確，不正確會(huì)有錯(cuò)誤 2 提示，重新設(shè)置，正確后，點(diǎn)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(jì)算設(shè)置確定計(jì)算場(chǎng)的區(qū)域，所以，天線參數(shù)的顯 示需要分兩個(gè)步驟： 創(chuàng)建無(wú)限大球的設(shè)置 1 選擇 HFSSRadiation 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 2 Create Far Fields Report)，然后選擇所需報(bào)表類型，繪圖種類，最后在 Traces 對(duì)話框中選擇繪圖的數(shù)目，選擇 New Report 和 Apply trace,最后點(diǎn)擊 close 完成操作。 以上兩步基本完成天線參數(shù)的顯示，下面將對(duì)矩形微帶天線的特性參數(shù)進(jìn) 行分析。 精品文檔 。 - 12 -歡迎下載- 12 -歡迎下載- 12 -歡迎下載 5天線仿真結(jié)果分析 5. 1 單個(gè)輻射源的特性 天線模型 1 圖 5-1 單輻射源天線模型 三維方向性圖： 2 圖 5-2 3D 增益 由上圖 5-2 可見(jiàn)，單個(gè)輻射源在 Z 軸發(fā)現(xiàn)上有很好的方向性。同時(shí)，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(yùn)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 1 精品文檔 。 - 13 -歡迎下載- 13 -歡迎下載- 13 -歡迎下載 圖 5-3 四單元輻射源天線模型 采用最原始的四個(gè)輻射源對(duì)稱排列，再用適當(dāng)阻抗的微帶線連接起來(lái)。 三維方向性圖： 2 精品文檔 。 - 14 -歡迎下載- 14 -歡迎下載- 14 -歡迎下載 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 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?yàn)楣β嗜萘枯^小，有損耗，因而增益較低，但是由于本文選用了四個(gè)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： 3 精品文檔 。 - 15 -歡迎下載- 15 -歡迎下載- 15 -歡迎下載 1.001.502.002.503.003.504.00 Freq GHz -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 dB(S(1,1) Ansoft LLCPatch_4 XY Plot 1 m1 Curve Info dB(S(1,1) Setup1 : Sweep1 NameXY m12.3500 -12.6801 圖 5-6 天線反射系數(shù) 在掃描頻率范圍為 1GHz-4GHz 時(shí)，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 1 圖 5-7 四單元輻射源 II 天線模型 三維方向性圖： 2 精品文檔 。 - 16 -歡迎下載- 16 -歡迎下載- 16 -歡迎下載 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： -13.00 -6.00 1.00 8.00 90 60 30 0 -30 -60 -90 -120 -150 -180 150 120 Ansoft LLCHFSSDesign1 Radiation Pattern 1 m1 m2 m3 m4 m5 Curve Info dB(GainTotal) Setup1 : LastAdaptive Freq=2.4GHz Phi=90deg NameThetaAngMag m10.00000.000011.9234 m2-6.0000-6.000011.7587 m3-12.0000 -12.0000 11.2736 m4-18.0000 -18.0000 10.4822 m5-22.0000 -22.00009.7936 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?yàn)楣β嗜萘枯^小，有損耗，因而增益較低，但是由 于本文選用了四個(gè)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)： 3 精品文檔 。 - 17 -歡迎下載- 17 -歡迎下載- 17 -歡迎下載 1.001.502.002.503.003.504.00 Freq GHz -16.00 -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 dB(S(1,1) Ansoft LLCHFSSDesign1 XY Pl