王震宇 劉瑜安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院

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UHF雙饋點微帶陶瓷天線仿真及設(shè)計

王震宇 劉瑜
安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術(shù)快速發(fā)展，低剖面天線被廣泛運用在高性能閱讀器中。文章介紹了微帶天線的分析方法，并采用HFSS仿真軟件設(shè)計并加工了以922.5MHZ 為中心頻點的陶瓷天線，通過雙饋點技術(shù)實現(xiàn)天線圓極化。研究表明該陶瓷天線可以運用在UHF-RFID閱讀器中。

關(guān)鍵字：微帶天線 HFSS 仿真 雙饋點

1　引言

射頻識別RFID（ Radio Frequency Identification）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。通過電磁波信號識別特定目標(biāo)上的電子標(biāo)簽并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸的一種無線通信技術(shù)。隨著射頻識別技術(shù)的快速發(fā)展，閱讀器的體積被做得越來越小，而影響體積的重要因素之一是其中的天線體積。一般微帶天線是由表面貼片、介質(zhì)基板、接地板所構(gòu)成。通過微帶線或者同軸探針饋電。盡管微帶天線概念可以追溯到1953年，然而直到1970年才被開始廣泛關(guān)注。由于其具有低剖面、易于安裝在平面或者非平面表面、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低廉、機械強度大等優(yōu)點被廣泛運用在RFID系統(tǒng)中。本文根據(jù)微帶天線的分析方法，采用HFSS仿真軟件對設(shè)計并加工以921MHZ 為中心頻點的陶瓷天線，由于陶瓷天線實現(xiàn)圓極化的方法很多，例如單饋點通過切角、縫隙法；多饋點法。本文采用雙饋點實現(xiàn)圓極化。并可以在RFID閱讀器中很好的工作。

2　微帶天線參數(shù)分析

利用傳輸線理論，估算微帶天線的特性參數(shù)。選擇相對介電常數(shù)εr=21.8高度為4.8mm 的陶瓷。仿真的陶瓷天線中心頻率為921MZH 。因為微帶線介于空氣和介質(zhì)板之間，因此有效介電常數(shù)εreff 會在1～εr 之間變化。

3　HFSS仿真建模

HFSS是美國Ansoft 公司開發(fā)的一款采用熟悉的Windows操作界面，高性能全波電磁場對任意3D無源模型進(jìn)行精確仿真軟件。它集合了仿真、可視化、實體建模和自動化功能，可以快速、準(zhǔn)確的解決三維電磁場問題。Ansoft HFSS利用FEM（Finite Element Method）有限元法，自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)和可視化圖像，可以計算參數(shù)例如S 參數(shù)、諧振頻率和場。

HFSS可以為天線設(shè)計提供全面的解決方案，使用HFSS可以仿真分析和優(yōu)化設(shè)計各類天線，精確計算天線的各種性能，包括二維、三維遠(yuǎn)場和近場輻射方向圖、天線的方向性系數(shù)、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、VSWR 、S參數(shù)以及點亮分布特性。在HFSS中按照計算結(jié)果進(jìn)行建模，輻射貼片尺寸為34mm*34mm ，介質(zhì)板尺寸為39mm*39mm ，地板尺寸為50mm*50mm ，空氣盒子尺寸為212.5mm*212.5mm*173.5mm，同軸探針圓心坐標(biāo)為（3.4，0，0） 半徑為0.6mm。添加材料ceramic，相對介電常數(shù)為21.8 ，將介質(zhì)板設(shè)為ceramic。表面貼片和地板設(shè)置為PerfectE ，空氣盒子設(shè)置為輻射邊界條件。設(shè)置求解頻率為922.5MHZ和掃頻范圍0.8GHZ-1.5GHZ。

4　雙饋點圓極化

天線的極化方式是根據(jù)電磁波傳播過程中，電場終端所形成的軌跡而定義的。假設(shè)X 方向電場強度為Y方向電場強度為而總電場是各分量的矢量和?？傠妶鰪姸冉K端軌跡是圓。只要使得進(jìn)入這兩個饋點功率相等相位相差90°即可實現(xiàn)圓極化。

5　結(jié)論

雙饋點陶瓷天線的帶寬比單饋點更寬，可以達(dá)到8MHZ ，并且比單饋點更易實現(xiàn)圓極化。該天線運用在UHF-RFID閱讀器中效果顯著。