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1、射频识别系统微带二元天线阵的设计班级：电信一班姓名：*********学号：********1概述当前,无论从物流管理、交通运输还是防盗应用,射频识别技术正日益引起人们的广泛关注,并在我们的生活中扮演越来越重要的角色。而射频识别系统的天线,则在事物、软件系统与人之间搭建了联系的桥梁。本文首先介绍几种常用类型的射频识别系统天线,并简单分析矩形微带天线的工作原理,由于微带天线具有结构简单,易于制造且体积小,成本低的优点,同时阵列天线具有较高的增益,所以本文设计用于射频识别系统的收发天线是工作在ISM频段2.45GHz的矩形微带二元阵天线,文献[1]从理论上说明了微带二元阵列天线的性能,文献[
2、2]介绍了类似的馈电网络。利用AnsoftHFSS9.0进行天线阵的设计,仿真和优化,使天线的驻波比、输入阻抗、增益及方向图等均满足系统工作要求。2 射频识别系统天线类型射频识别系统在不同的应用环境中需要采用不同的天线技术来实现无线通讯,因此它的天线类型也是各式各样。主要有线圈型、对称振子型、微带贴片型三种基本形式。一般近距离的识别系统工作于低频段,通常采用成本较低的线圈型天线;而较远距离的识别系统大多工作在高频,甚高频甚至微波频段,则采用对称振子型或微带贴片型天线比较合适。2.1 线圈型天线 当应答器进入读写器的作用范围时,两者之间产生交变的磁场相互作用,实现信息的传输,此时天线就相
3、当于变压器的初、次级线圈的作用。实际使用的线圈型耦合回路的等效电路如图1所示,该振荡回路的谐振频率为,其中C2=C‘2+Cp(C2是并联电容,Cp是寄生电容),射频识别系统的应答器和读写器使用这个频率来进行通讯。2.2 对称振子型天线 对称振子型天线的基本构成是两根等长且同等粗细的导线成一字排列,然后从振子的中间馈电,通常振子的长度取四分之一波长的整数倍。此外,它有多种变形,如工作在2.45GHz用于射频识别系统的对称振子天线[4,5]。2.3 微带贴片型天线微带贴片天线是由一层或多层厚度远小于波长(大约十几分之一波长)的介质层和覆盖其上下两面的金属接地板以及辐射元(尺寸可以和波长相比
4、拟)构成。辐射元形状有多种多样,常见的如方形,矩形,圆形等。矩形微带天线的形状如图2(a)所示,假设电场沿贴片宽度与介质板厚度方向没有变化,仅沿贴片的长度(约二分之一波长)方向变化,则辐射基本上是由贴片的两开路端缝隙产生,此时矩形微带天线可看成是相距二分之一波长同相激励并向地板以上半空间辐射的二元缝隙阵列,辐射场如图2(b)所示。在射频识别系统中,为了系统能适应各种场合的需要,又设计出各种微带缝隙天线,如工作在5.8GHz的缝隙耦合圆极化微带天线[6]等。3 射频识别系统二元微带天线阵设计矩形微带天线既可以单独使用,也能做为阵列单元构成天线阵使用,设计的目标就在于指定频率上得到要求的工作
5、性能。由于本设计要求天线工作在2.45GHz这个较高的频率,且要具备一定的识别距离以及考虑到天线的尺寸问题,因此选取微带贴片型天线。3.1 贴片宽度和长度的选取宽度W的尺寸影响辐射电阻、输入阻抗以及方向性函数,从而影响频带宽度和辐射效率。贴片实用宽度和长度的计算公式为:。式中c是光速;fr是矩形微带天线的工作频率;εr为相对介电常数;有效介电常数εe可由经验公式:获得,Δl是边缘效应所产生的扩展长度[8]。由以上的公式可见,介质板的相对介电常数εr、厚度h以及天线的工作频率fr决定了贴片的尺寸,提高介电常数有利于减小天线尺寸,但过高的介电常数却会限制缝隙的辐射场,降低辐射效率,并使带宽变
6、窄,增加介质板厚度可以提高天线增益。因而适当提高介电常数和介质板厚度可以有效提高天线的辐射功率,且对输入阻抗基本没有影响。综合考虑各方面因素,本文选择εr=2.55的聚四氟乙烯为介质基板,工作频率fr=2.45GHz,厚度h=1.55mm。根据式(1)得到W=46mm,把h和W代入式(3)则εe≈2.43,最后由式(2)算得L=37.8mm。根据上面计算得到的数据,利用AnsoftHFSS9.0软件画出天线阵列,初始阵元间距d=λ/2。下面我们将设计天线的匹配网络。3.2 天线匹配网络的设计 本文采用文献[2]的方法给二元阵列等幅同相馈电,且天线阻抗匹配包含在功分器设计中,即先串联一段
7、特性阻抗为50Ω的微带线,再并联一段50Ω的开路微带线来消除电抗性,整个天线阵列如图3所示。单个贴片在边沿中间馈电情况下,其天线输入阻抗为50×(0.099-j0.352)=4.95-j17.6,如图4的Point1所示,很明显失配严重。采用上面的方法进行阻抗匹配,50欧姆微带线宽度[9]W1≈4.4mm,根据文献[9]分别求得两段微带线的理论长度作为初值,进行多次参数扫描,最后得到L1-1=9.1mm,L1-2=15.75mm,再
