２．４５ＧＨｚＲＦＩＤ閱讀器微帶天線設(shè)計(jì)

摘要：閱讀器天線的設(shè)計(jì)涉及到輻射射特性，天線方向圖，阻抗特性，S參數(shù)，增益，極化方向和工作帶寬等諸多要素，加上必需反覆不斷的進(jìn)行成品修正。特性量測(cè)時(shí)還需提供特定電磁環(huán)境的電波暗室專用設(shè)備，因此天線工程師都將天線設(shè)計(jì)視為黑色藝術(shù)(blackart)。由于Ansoft公司的電磁場(chǎng)仿真分析技術(shù)相當(dāng)進(jìn)步， Ansoft Designer對(duì)天線設(shè)計(jì)人員來說，他們不僅可以仿真并優(yōu)化天線的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，而且可以非常容易地進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)以改進(jìn)天線的性能，尤其是電磁場(chǎng)模擬分析經(jīng)過整合后，已經(jīng)可以分析print pattern構(gòu)成的天線特性(基板型天線)。本文介紹如何利用Ansoft Designer V2模擬分析，探討RFID閱讀器天線的設(shè)計(jì)技巧。

關(guān)鍵詞：矩形貼片天線；網(wǎng)格剖分；S11；仿真；Designer V2

1閱讀器天線設(shè)計(jì)

1.1微帶天線的應(yīng)用

目前，已經(jīng)研制成各種類型的平面結(jié)構(gòu)印刷天線，例如微帶天線、帶線縫隙天線、背腔印刷天線以及印制偶極子天線等，各種類型的平面印制天線性能比較如表1.1所示：

到目前為止，微帶天線在100MHz~100GHz的寬頻帶上獲得了大量成功應(yīng)用。

1.2 2.45GHz RFID閱讀器天線結(jié)構(gòu)

2.45GHz RFID微帶天線采用矩形輻射器的并饋二單元貼片駐波陣，以期獲得較尖銳的方向圖和高的方向系數(shù)。二單元微帶貼片天線的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。貼片天線的饋電采用偏心饋電方式，饋電的位置確定直接影響天線的輻射特性。如果天線的幾何圖形只維持主模，微帶饋線偏向一邊可以得到較好的匹配。采用偏饋時(shí)，雖然容易控制輸入阻抗，其諧振電阻在140Ω左右，為使與饋線相匹配，必須要加阻抗變換器。該阻抗變換器是切比雪夫阻抗變換器，L1的阻抗為100Ω，L2的阻抗為71Ω，W50為50Ω微帶饋線。 為了使各貼片單元獲得有效的輻射，當(dāng)天線陣諧振在2.45GHz時(shí)，矩形貼片單元之間的間距d=1/2λ。微帶天線的單元既可以單獨(dú)成為天線，亦可以作為陣列天線的一部分而與其它的相同單元組合使用。無論哪種情況，設(shè)計(jì)工程師均應(yīng)掌握單元設(shè)計(jì)。

圖1： 2.45G閱讀器天線結(jié)構(gòu)

1.3介質(zhì)板材料的選擇

設(shè)計(jì)微帶天線首先要選取介質(zhì)板，它不僅影響天線的尺寸、體積和重量，還影響天線的方向性、效率等。薄金屬覆層能使天線便于制作，易達(dá)到公差要求，但較厚的金屬覆層容易焊接。矩形微帶天線的 面方向圖寬度與兩輻射邊間距 有關(guān)，對(duì)于相同的工作頻率采用不同的介質(zhì)板對(duì)應(yīng)的 值也不同，所以 面的波束寬度也就不同。如表1所示。

實(shí)驗(yàn)表明，天線介質(zhì)的厚度影響帶寬。對(duì)矩形微帶天線而言，其頻帶窄的原因可以理解為兩個(gè)縫隙之間低的傳輸線特性阻抗（１～１０?贅）所致。h的增大使傳輸線特性阻抗增大而使頻帶變寬，但是厚度的增加不僅使重量增加，而且破壞了微帶天線的低剖面特性，因此應(yīng)綜合考慮各種指標(biāo)以選取介質(zhì)板。表2給出了不同介電常數(shù)和不同介質(zhì)厚度情況下，典型矩形微帶貼片天線的?籽?燮2帶寬，取tan?啄=0.0005，?滓=107S/m。

1.3.1 矩形貼片天線單元寬度W的確定

貼片的寬度 影響著天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而也就影響著頻帶寬度和輻射效率。在安裝尺寸允許的情況下，W應(yīng)取的適當(dāng)大些對(duì)頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但如果W大于下式的值，就會(huì)產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變：

2 用Ansoft Designer V2設(shè)計(jì)RFID天線

Ansoft公司的電磁場(chǎng)仿真分析技術(shù)相當(dāng)進(jìn)步，Ansoft DesignerV2實(shí)現(xiàn)了\"所見即所得\"的自動(dòng)化版圖功能，版圖與原理圖自動(dòng)同步，大大提高了版圖設(shè)計(jì)效率。Ansoft DesignerV2與HFSS，Agilent的ADS相比較，Ansoft DesignerV2采用2.5維的仿真方法，比3維立體仿真更省時(shí)，省力。

2.1 設(shè)置天線介質(zhì)板參數(shù)

Edit Layers 編輯層

在材料編輯窗口設(shè)置天線介質(zhì)板參數(shù):天線介質(zhì)板選FR-4。 介質(zhì)板厚度H=1.6mm， 信號(hào)層銅箔厚度T=0.018mm， 介電常數(shù)εr= 4.35，損耗正切 tanδ=0.014 。如圖2所示：

2.2 利用Ansoft Designer V2估算工具確定單元貼片的W，L，

Ansoft Designer V2估算工具Estimate 給天線設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)非常人性化的窗口，它可以簡(jiǎn)化公式1.1，1.2貼片單元的繁瑣運(yùn)算，當(dāng)你輸入矩形貼片天線單元的中心頻率f0，希望達(dá)到的VSWR，輸入阻抗Z50，和天線單元的L就可以得到W，天線帶寬，天線效率等等參數(shù) 。Ansoft Designer V2估算窗口如圖3所示：

實(shí)踐證明利用Ansoft Designer V2估算工具確定單元貼片的W，L，為天線版圖設(shè)計(jì)提供了一個(gè)比較準(zhǔn)確的，實(shí)用的貼片單元模型。它能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

2.3 利用Ansoft Designer V2創(chuàng)建物理結(jié)構(gòu)圖形

2.3.1 用Ansoft Designer V2估算工具確定單元貼片的W，L參數(shù)，打開Draw菜單，點(diǎn)擊Primitive項(xiàng)，點(diǎn)擊畫矩形圖標(biāo).在右下方輸入起始坐標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)位置X：0，Y：0，>Tab。

2.3.2 輸入貼片天線的長(zhǎng)度L，寬度W。確定貼片陣元的距離d，輸入偏移量。

2.33 繪制微帶線。

2.3.4 設(shè)置port (probel)

2. 4 Ansoft Designer V2的網(wǎng)格剖分

平面三角元在高頻方法和低頻方法中都有非常重要的地位。該方法是將目標(biāo)面近似地采用小的平面三角形依次拼接而成，是一種非常有用的模型表示方法。由于采用三角形的近似曲面該方法的精度不夠高，計(jì)算結(jié)果由于網(wǎng)格的設(shè)置不當(dāng)甚至結(jié)果不能收斂，一般使用默認(rèn)。

初始計(jì)算一般使用自動(dòng)劃分網(wǎng)格（Adaptive Meshing ）自動(dòng)生成網(wǎng)格 ；用麥克斯韋程組可以獲得場(chǎng)解；完善網(wǎng)格基于誤差分析每個(gè)四面體的領(lǐng)域。

當(dāng)模型建立好了之后，進(jìn)入計(jì)算模塊，第一步是給問題劃分網(wǎng)格。對(duì)于一般問題，讓軟件自動(dòng)劃分比較省心。

如下圖4所示利用Ansoft Designer V2建立的并饋二單元天線的模型和網(wǎng)格剖分。

2. 5 電磁計(jì)算：

微帶天線分析的基本問題是，求解天線周圍空間建立的電磁場(chǎng)；求得電磁場(chǎng)后，進(jìn)而得出其方向圖、增益和輸人阻抗等特性指標(biāo)，另外，微帶天線的饋電，對(duì)天線的性能有至關(guān)重要的作用。饋線的長(zhǎng)度和寬度直接影響著天線的諧振頻率；饋電點(diǎn)的位置決定著天線邊沿上的電流幅度、相位分布以及諧振頻率。因此，對(duì)饋電方式的選擇是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素 。在本設(shè)計(jì)中采用微帶線饋電。

在電磁計(jì)算之前一定要用Validation Check檢查電磁參數(shù)是否設(shè)置正確。如果有一項(xiàng)設(shè)置不當(dāng)，都無法進(jìn)行仿真。

Validation Check檢查如圖5所示。

Ansoft Designer V2對(duì)電磁場(chǎng)的仿真有很高的準(zhǔn)確性，所得到的數(shù)據(jù)對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)際電路有重要的指導(dǎo)意義。

3 仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

圖6是經(jīng)微帶線匹配補(bǔ)賞的天線Smith圓圖。天線在2.45GHz 處諧振，天線的S11在2.4GHz-2.5GHz頻段呈現(xiàn)的軌跡通過原點(diǎn)，在2.45GHz時(shí)VSWR為1.018。

圖7為并饋二單元天線的VSWR仿真曲線，圖8為并饋二單元天線的VSWR實(shí)測(cè)頻響曲線。仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果比較，基本吻合。

貼片天線的邊緣電場(chǎng)可以分解成垂直分量和切向分量，其兩個(gè)垂直分量在遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)互相抵消。而在切向分量是同相的，其遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)互相加強(qiáng)。因而在無限大接地平面的情況下，矩形貼片天線的最大輻射場(chǎng)垂直于微帶天線平面。如圖10所示。

接近天線的區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)或菲涅耳（Fresnel）區(qū)，離天線較遠(yuǎn)的稱為遠(yuǎn)場(chǎng)或夫瑯和費(fèi)（Fraunhofer）區(qū)。圖11為天線的3D遠(yuǎn)場(chǎng)輻射仿真圖。

4結(jié)論:

Ansoft Designer v2將系統(tǒng)，電路和電磁場(chǎng)仿真工具無縫的集成到一起，為天線設(shè)計(jì)帶來了極大方便。例如，對(duì)天線設(shè)計(jì)人員來說，他們不僅可以仿真并優(yōu)化天線的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，而且可以非常容易地進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)以改進(jìn)天線的性能，并可以研究它對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

以S11為目標(biāo)利用仿真優(yōu)化器來求所需傳輸線長(zhǎng)度的方法 ，是一種省時(shí)省力有效的方法。

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