（电磁场与微波技术专业论文）rfid读写器及天线研究.pdf

r f i d 读写器及天线研究 摘要 作为一种非接触式的自动识别技术，射频识蔓) j ( r f i d ) 技术利用射频 信号通过空间偶合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递并通过所传 递的信息达到识别的目的。同其它识别技术相比，射频识别技术具有很 多优点，使得研究和发展r f i d 技术具有理论和现实的双重意义。 本文从无线系统入手，详细介绍了r f i d 系统以及其发展应用前景， 并由此引入r f i d 系统中的一大关键技术叫f i d 天线技术。文中首先 给出了一款普通2 4 5 g h zr f i d 系统的单极读写器天线的设计方法；接 着，基于微带天线的研究，设计出一款能够同时工作在9 0 0 m h z 和2 4 g h z 附近的缝隙加载双频微带读写器天线。并且，利用a n s o f t 公司的电磁仿 真软件h f s s 对所设计的双频天线结构进行了仿真、优化，对影响天线 性能的关键尺寸进行了总结，得到天线最优尺寸，并最终加工制作出一 款实用的读写器天线。最后，根据天线测量所得的结果与仿真结果进行 对比以验证仿真软件的准确性。 同时，本文设计制作了一款基于有源标签的主动式r f i d 系统的读写 器模块。该读写器工作在2 4 5 g h z 的微波频段。文中采用n r f 2 4 0 1 射频 处理芯片以及m s p 4 3 0 系列单片机制作出读写器的射频部分，而采用 s p 3 2 2 3 芯片作为读写器基带部分的主要芯片，以实现读写器与计算机 r s 2 3 2 串口之间的通信。 此外，论文中还涉及到天线基础参数的介绍，以及天线性能测试方 法及步骤的说明。 论文来自科技部8 6 3 重大项目“r f i d 标签天线设计技术的研究 的 支持。 关键词：r f i d 天线设计电磁仿真读写器 t h er es e a r cho fr f i dr e a d e r a n da n t e n n a s a b s t r a c t a s a l la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n i q u e w i t h o u t t o u c h i n g ， r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yu s er a d i ow a v e sc a r r y i n g i n f o r m a t i o ns t o r e da b o u tt h ei d e n t i f i e do b j e c to rc o m m a n d st oi d e n t i f yo b j e c t s v i as p a c ec o u p l i n g ，s u c ha si n d u c t i v ec o u p l i n go re l e c t r o m a g n e t i cw a v e p r o p a g a t i o n c o m p a r e d 谢m o t h e ri d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，i 江i d t e c h n o l o g yu s e d f o ri d e n t i f i c a t i o nh a sm a n ya d v a n t a g e s t h ep r o m i n e n t c h a r a c t e r i s t i c so fr f dm a k ei th a v ed u a ls i g n i f i c a n c eo ft h e o r ya n da c t u a l i t y o nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rs t a r tw i t had e t a i l e di n t r o d u c t i o no fr f i ds y s t e m s ，a sw e l la s t h ep r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o n s ，t h u st h ei n t r o d u c t i o no fi 珂i d a n t e n n at e c h n o l o g y , o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si ni 江i ds y s t e m si sb r o u g h t i n f i r s t ag e n e r a ld e s i g nm e t h o do fam o n o p o l ei 江i dr e a d e ra n t e n n aa t 2 4 5 g h zi sg i v e n t h e n b a s e do nt h em i c r o s t r i pa n t e n n ar e s e a r c h ，a d u a l - b a n ds t a c k e dt w o 1 a y e r e dm i c r o s t r i pp a t c hr f i dr e a d e ra n t e n n aw h i c h r e s o n a t e sa t9 0 0 毗za n d2 4 g h z t h e ne l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n i s p r o c e s s e db yu s i n gh f s s ，a n dm e a n w h i l e t h ei m p a c to ft h ek e yd i m e n s i o n s f o rt h ea n t e n n a st ot h ep e r f o r m a n c ea r es u m m a r i z e d f i n a l l y ，t h es t r u c t u r a l d i m e n s i o n sm e e t i n gw i t hr e q u i r e m e n t si sa c h i e v e d ，a n dt h er f i dr e a d e r a n t e n n ap r o t o t y p ei sf a b r i c a t e d ，c o m p a r i n gt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t si no r d e rt ov a l i d a t et h ea c c u r a c yo f h f s s m e a n w h i l e a na c t i v er f i dr e a d e rm o d u l ew o r k i n g a t2 4 5 g h z m i c r o w a v ef r e q u e n c yb a n di sp r o p o s e d t h er a d i of r e q u e n c yp a r ti sc o m p o s e d o fn r f 2 4 0lr a d i of r e q u e n c yc h i pa n dm s p 4 3 0m c u ，a n dt h es p 3 2 2 3c h i pi s u s e da st h em a i nc h i po ft h eb a s e b a n dp a r tt oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h er e a d e ra n dt h es e r i a lr $ 2 32o fc o m p u t e r i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s or e l a t e st ot h eb a s i sp a r a m e t e r si n t r o d u c t i o no f a n t e n n aa sw e l la st h ed e s c r i p t i o no fa n t e n n am e a s u r e m e n t t h ew o r k w a ss u p p o r t e db y r e s e a r c ho nr f i dt a ga n t e n n ad e s i g n t e c h n o l o g y o fn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c hp l a n ( 8 6 3p l a n ) k e yw o r d sor f i d a n t e n n a d e s i g n e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n r e a d e r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 绽垒：拉 日期： 三! ：! ：三：! 曼 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：猃盏整 日期： 垄：芏：主：竖 导师签名： 北京邮电大学硕：卜研究生学位论文 1 1 概述 第一章绪论 无线通信是相对于传统的有线通信技术而发展出来的一种新的通信方式，它是一 种利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式，其中包括 移动通信，微波通信，卫星通信在内的多种通信技术手段的集合。1 8 9 7 年m q 马可 尼成功完成了在一个固定点与一艘拖船之间的无线通信试验，这标志着通信技术的发 展进入到了无线领域的新阶段。为了能够区分不同的信号，通常以信号的频率来做标 志，因此在无线通信技术中频率是非常重要的资源。表1 1 给出了无线电波频段的详 细划分。 表1 - 1 无线电波频段的划分 波段名称波长范围频率范围频段名称 长波( l w ) 1 0 3 1 0 4 m3 0 k 3 0 0 l 沮z低频( l f ) 中波( m w ) 1 0 2 1 0 3 m3 0 0 k h z 3 m h z中频( m f ) 短波( s w ) 1 0 1 0 0 m3 3 0 m h z高频( h f ) 超短波( v s w )1 1 0 m3 0 - - 3 0 0 m h z甚高频( v h f ) 分米波1 0 1 0 0 c m3 0 0 m h z 3 g h z特高频( u h f ) ( u s w ) 微波 厘米波 l l o c m3 3 0 g h z超高频( s h f ) ( s s w ) 毫米波 1 - 1 0 m m3 0 3 0 0 g h z极高频( e h f ) ( e s w ) 无线通信( 或称无线电通信) 的类型很多，按照无线通信系统中关键部分的不同特 性可以分为以下一些类型：( 1 ) 按照工作频段或传输手段分类，有中波通信、短波通 信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频 ( r f ) 频率。射频实际上就是“高频 的广义语：它是指适合无线电发射和传播的 频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。( 2 ) 按照通信方式来分类，主 要有( 全) 双工、半双工和单工方式。( 3 ) 按照调制方式的不同来划分，有调幅、调 北京邮电大学硕r 研究生学位论文 频、调相以及混合调制等。( 4 ) 按照传送的消息的类型分类，有模拟通信和数字通信， 也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。各种不同类型的通信系 统，其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理 都是相同的，遵从同样的规律。图1 1 是无线通信系统的基本组成的方框图。 话 箭 伤 声 嚣 图1 1 无线通信系统的基本组成 图中虚线以上部分为发送设备( 发信机) ，虚线以下部分为接收设备( 收信机) ， 天线及天线开关为收发共用设备。信道为自由空间。话筒和扬声器属于通信的终端设 备，分别为信源和信宿。发信机端，基带信号经过调制器被调制到高频载波上，再经 过信号放大从系统天线上发射到自由空间；收信机端，由系统天线接收到来自自由空 间的高频信号，通过解调器还原出所需的基带信号。 天线作为无线通信系统中至关重要的一部分，它是一种以电磁波形式将无线电收 发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置，它在各种无线电技术设备中的作用是基 本相同的。自马可尼和赫兹发明了天线以来，天线技术经过了1 0 0 多年的发展，到目 前为止，天线的类型可谓是五花) k f - j ，种类繁多。一般按照天线的结构分可将其分为 三大类【1 】： ( 1 ) 线天线：是指天线结构具有线状结构的特点，而且金属导线半径远小于波长 的天线。如：振子天线、环天线、螺旋天线等； ( 2 ) 面天线或称口径天线：是指电磁波通过一定e l 径向外辐射的天线。如：喇叭 天线、板状天线、角反射天线、抛物面天线等； ( 3 ) 天线阵：是指天线的辐射单元按一定规律排列和激励( 或称馈电，指馈给每 个辐射单元信号的幅度和相位) 的天线群体。如：美国爱国者导弹中的相控阵雷达系 统、第三代移动通信t d s c d m a 系统中的智能天线等。 目前天线正广泛应用于通信的各个领域，如微波通信天线、卫星通信天线、微波 2 北京邮电大学硕：卜研究生学位论文 器件天线、无线公话天线、及应用于汽车上的移动数字电视天线等。各种内置和外置 的天线广泛用于手机、无线公话、无线商务电话、电脑笔记本p c 卡、车载电话、无 线模块以及其他无线终端上。 1 2 研究内容及国内外研究动态 本文的主要研究内容是无线通信系统中的r f i d 系统。r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 即射频识别技术【2 】，它是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技 术。该技术在世界范围内正被广泛的应用，而在我国起步较晚，与先进国家相比存在 一定的差距，国内现在这项技术还处在研发阶段，存在技术水平不高，标准规范不完 整等诸多问题。同时，我国射频识别技术又拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。 相对于条码技术而言，射频识别技术的发展和应用的推广将是我国自动识别行业的一 场技术革命。据业内人士预测，r f i d 技术市场将在未来五年内在新的产品与服务上 带来3 0 至1 0 0 亿美金的商机，随之而来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、 商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。可以说无线射频识别 技术( r f i d ) j e 在成为全球热门科技。作为全球的制造中心，中国将成为世界上最大的 r f i d 应用市场。经过几年的努力，我国现在芯片的设计已经国产化，我们已经具备 自主开发低频、高频的r f i d 产品和各种读写设备的能力，目前与国外产品的区别主 要在于r f i d 核心芯片、天线设计和应用经验等方面。目前，国内相关行业的r f i d 的试点已全面启动，如我国铁道部应用的中国铁路车号自动识别系统是目前亚洲最大 规模的r f i d 系统，我国的第二代身份证技术将是当今全球最重要的r f i d 工程，江 苏省推行的2 0 0 8 年全省高速公路全面实现不停车收费等等。 目前，r f i d 技术已发展成为一门学科纵横的崭新的专业技术，它不仅涵盖电磁 场理论和微波技术，还综合了半导体集成技术、通信技术、e m c ( 电磁兼容) 技术、 数据保护和密码学、制造工艺等等学科，其本身所具有的各种突出特点，使得研究和 发展r f i d 技术具有理论和现实的双重意义。与传统的条型码、磁卡及c i 卡等相比， 射频卡或标签具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用 的优点以及具有防冲突功能，能同时处理多张卡片的能力，因此射频识别技术发展很 快，市场潜力大。射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面射频 识别技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说，射频识 别技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，射频识别技术的发展目 3 北京邮电大学硕l ：研究生学位论文 的在于不断满足日益增长的应用需求。射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发 展。所涉及的关键技术大致包括：芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与 编码技术、电磁传播特性等。随着技术的不断进步，射频识别产品的种类将越来越丰 富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速 发展的势头。射频识别技术的发展将会在电子标签( 射频标签) 、读写器、系统种类等 方面取得新进展。 在电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，技术更趋成熟。其作用距离将 更远，无线可读写性能也将更加完善，并且能够适合高速移动物品识别，识别速度也 将更加快，具有快速多标签读写功能。与此同时，在强场强下的自保护功能也会更加 完善、智能性更强，成本更低【3 】。 在读写器方面，多功能读写器，包括与条码识别集成、无线数据传输、脱机工作 等功能将被更多的应用。同时，多种数据接口包括r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 4 8 5 ，u s b ，红外， 以太网口也将得到应用。而读写器将实现多制式多频段兼容，能够兼容读写多种标签 类型和多个频段标签。读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成 本将更加低廉，应用范围更加广泛。 在系统方面，低频近距离系统将具有更高的智能、安全特性：高频远距离系统性能 将更加完善，成本更低。而2 4 5 g h z 和5 8 g h z 系统将进一步完善，应用也将更加广 泛。同时，无芯片系统将逐渐得到应用。 总而言之，射频识别技术未来的发展中，在结合其它高新技术，比如g p s 、生物 识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技 术，实现跨地区、跨行业应用。 1 3 论文内容安排 本文的主要工作是设计了一款工作在2 4 5 g h z 频率附近的r f i d 读写器模块，包 括读写器的基带部分( 接收信号与r s 2 3 2 连接部分) ，射频部分( 接收处理信号部分) 以及该读写器的天线部分，通过p r o t e l 进行电路设计，绘制p c b 版并加工完成。此 外，进一步设计了一款工作于9 0 0 m h z 和2 4 5 g h z 附近的双频读写器天线，通过电 磁仿真软件h f s s 进行天线的设计仿真，最终加工出实物进行测量，以验证仿真软件 的准确性。同时，对该双频天线的关键尺寸进行了总结。 文章的主要内容安排如下： 4 北京邮电大学硕：t 研究生学位论文 第一章绪论，介绍了选题的背景和研究的价值及意义；简要介绍了r f i d 系统的 发展，应用以及其前景。 第二章，首先介绍了天线的基础理论，包括天线的辐射场理论，天线的主要性能 参数；其次介绍天线的测试方法，包括测试仪器，测试步骤，测试数据；最后简要介 绍了天线仿真软件h f s s 的功能实现。 第三章，首先对r f i d 系统的天线进行了介绍，包括标签天线和读写器天线；其 次对一款工作在2 4 5 g h z 附近的单极读写器天线进行了设计和说明，给出了仿真结 果；最后，设计出一款能同时工作在9 0 0 m h z 和2 4 g h z 附近的双频微带读写器天线， 通过电磁仿真软件h f s s 对天线进行建模仿真，以得到影响各个天线性能的关键尺寸 参数，最终加工出实体并测量，以验证软件的准确性。 第四章详细地介绍了r f i d 系统的特点，结构以及工作方式，重点对系统的读写 器部分进行了说明。文中设计制作了一款基于有源标签的主动式r f i d 系统的读写器 模块。该读写器工作在2 4 5 g h z 的微波频段。文中采用n r f 2 4 0 1 射频处理芯片以及 r a s p 4 3 0 系列单片机制作出读写器的射频部分，而采用s p 3 2 2 3 芯片作为读写器基带部 分的主芯片，以实现读写器与计算机r s 2 3 2 串口之间的通信。 第五章结论，对全文的工作加以总结，并提出了文中尚未解决，需要改进和进一 步研究与探索的问题。 北京邮电大学硕 研究生学位论文 第二章天线的基本理论 2 1 天线的基本原理 一根天线可以看作由许多首尾相接的电流元所组成，这些电流元又称基本振子。 基本振子是构成天线辐射的基本单元。只要求得基本振子的辐射场，利用叠加原理即 可了解整个天线的辐射情况。基本振子包括点辐射元、电振子元和磁振子元。由基本 振子形成的电场和磁场的计算式如下所裂4 6 】： e = 一j c o a + 士v v - a - 三v x 4 ( 2 - l o p e 1 ) 占 h = - j o o a 。+ 去w ，4 一去乳彳 ( 2 一z ) 式中a 和4 分别为矢量磁位和矢量电位，、占分别为媒质的导磁率和介电常数。 如果没有磁源，仅有电源，则有： e = 一弘4 + v v 么 ( 2 3 ) j c o , u 占 日：! v 么 ( 2 4 ) a 如果没有电源，仅有磁源，则有： e = - i v 4 ( 2 5 ) h = - j o j a ，+ v v 4 ( 2 6 ) 6 图2 - 1 点电流源天线的场 参照图2 1 所示，考虑最简单的点电流源天线及其辐射场。假定位于坐标原点的 北京邮电大学硕士研究生学位论文 电流源沿三轴放置，其电流幅度为i ，长度为t ( t a ) ，则电流源密度，可表示为： 了：l t s ( r ) 三 ( 2 7 ) 则其产生的电磁场可由下式给出： 1 2 e “乓多+ 易p ( 2 - 8 ) ：【日= 耳声+ 月0 痧+ h o o 其中： 巨= 器( 1 + 志胁钆啪 易= 力4 k 刀i ，i ( 1 + 面1 一再1 ) 如盯弦 ( 2 9 ) 日= 0 皿= h e = 0 耳= j 忉k ( 1 + 嘉) 如良口啦 式中，刁= s 称为媒质的波阻抗。对自由空间r l = 风6 0 = 1 2 0 万欧姆。a ，占为 一 媒质的磁导率和介电常数。k = 等称为空间中的波数，五为工作波长。 力 由式( 2 9 ) 可以看出，天线的辐射场与距离源点的距离有关，依据不同距离处的 电磁场的特点，常把天线的场分为如下三个区域【6 】： ( 1 ) 近场( 感应场) 区 当k r 1 ( 或， l 时，电流源的电磁场主要由l r 项决定，故由式( 2 9 ) 得n - 7 北京邮电人学硕：上研究生学位论文 式( 2 1 1 ) 表明，在远离场源的区域，电流的电磁场只有易和也分量。而且其电磁 场矢量之比为定值，因此辐射的问题常常讨论电场而不再关磁场；相应的玻印廷矢量 为实数，这说明远区电磁能量沿传播方向声向外传播且不返回，这就是电磁辐射。这 种场又被称为辐射场，故该区又称为辐射场区。 ( 3 ) 中间区( 菲涅尔区) 在远区场和近区场之间的区域，其感应场和辐射场均不占绝对优势。其电磁场的 结构很复杂。这里就不加详述。 在讨论电磁场时，要引入瑞利条件。在此区域中，球面波可以近似看作为平面波， 即电磁场矢量位于同一平面内。实际上，平面波是不存在的，因为它必须是理想的点 源产生的场。但是，在距场源较远即满足瑞利条件时，近似认为该场源产生了平面波。 这一条件被称为瑞利条件，即： ，孚( 2 - 1 2 ) 九 其中r 是离开天线的距离，d 表示场源的最大尺寸。 由此可见，天线产生的电磁场在近区为似稳场，在远区为辐射场。在本文的三种 天线设计中，天线的工作频率皆在u h f 频段( 9 0 0 m h z 附近) 及微波频段( 2 4 g h z 附近) ，电磁能量的传送是在远场区域中完成，因此又称为微波辐射系统。 2 2 天线的主要参数 天线的电参数主要有方向图、方向性系数、主瓣宽度、旁瓣电平、增益、天线效 率、极化特性、驻波比、频带宽度、和输入阻抗等【6 】。下面根据本文的研究重点对于 天线的方向性系数、方向性图、天线增益和驻波比一一做详细介绍。 ( 1 ) 效率有辐射效率与天线效率之分。由于入射波反射的存在，不可能把入射功 率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输 入给它的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介 质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波引起的损耗等等。 为了便于对概念的理解，先将天线有关的基本功率定义如下： 入射功率只：指发射机等提供给天线的功率； q 膨 归 矿p 秒 n m 幽 豇 椰一撕刀一撕 = = 易 北京邮电大学硕上研究生学位论文 反射功率名：指天线反射回来的功率； 输入功率圪：指天线接收到的功率； 损耗功率只：指由于导线、介质或者地电流等存在而损耗的功率； 辐射功率只：指天线把发射机提供的功率扣除损耗辐射出去的功率； 根据以上定义，很容易得到： 最= 叹一= 足+ ( 2 1 3 ) ( 2 ) 天线的方向系数。方向性系数是一个用数字定量的衡量天线辐射电磁量集中 程度的参数，又称方向性增益。它定义为在相同的辐射功率下，某天线生于某点的功 率通量密度与理想点源天线产生于同一点的功率通量密度的比值。由定义可知，由于 天线在每个方向辐射强度不同，d 的值也随方向而异。在辐射最强的方向上d 的数 值最大。通常所说的某天线的方向系数，如果没有特别指明是哪个方向的，则都是指 最大辐射方向的方向系数。 ( 3 ) 增益。在天线工程上，除了用方向系数来表明天线的方向特性外，还常用天 线的增益来反映天线的品质。天线的增益用g 来表示，定义为：在输入功率相同的 条件下，天线在最大辐射方向上某一点的功率通量密度与理想点源天线在同一点处的 功率通量密度之比，称为天线的增益。设r 为天线的效率( 天线效率等于天线的辐射 功率和输入功率之比) ，天线增益等于天线的方向性系数乘以天线效率。如式 g = d ，7 ( 2 1 4 ) 天线的增益把天线的方向性图与天线的效率结合起来，它一方面考虑到辐射能量 的集中程度，另一方面又考虑到天线本身存在的功率损耗，给出了天线特性更加完整 的一个技术指标。天线的增益g 常用分贝( d b ) 来表示，即： = 1 0 1 0 9 g ( 2 一1 5 ) ( 4 ) 方向图。方向图是按照远区电场强度的大小与空间角度之间的关系绘制而成 的场强与角度的变化图，有时也用功率方向图表示天线的方向特性，功率方向图是功 率与角度之间的关系图。功率方向性图通常比场强方向图“瘦”。归一化方向图是非 归一化方向图除以主瓣最大值后得到的方向图，归一化方向图的主瓣最大值为1 。一 般情况下主要考察两个平面内的天线方向图( 二维方向图) ，即e 面和h 面。e 面表 示和电场平行的平面，有很多个，一般以通过某一或两个坐标轴并与电场平行的平面 作为e 面。对于旋转对称天线的方向图，所有e 面内的二维方向图都相同。h 面则 是与磁场平行的平面，与e 面一样，h 面一般是指通过某一或两个坐标轴并与磁场平 行的平面。 与方向图密切相关的图特性参数有：主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数。主瓣宽 9 北京邮电大学硕卜研究生学位论文 度是指场强( 或功率) 从主瓣最大值下降到最大值的0 7 0 7 倍( 或0 5 倍) 时，两点间 的角度。主瓣宽度通常指方向图某个截面内的主瓣宽度。如果天线方向图不是旋转的， 则各个截面内的主瓣宽度不等。一般情况下主要考虑e 面和h 面的主瓣宽度。 副瓣电平是指副瓣电平最大值与主瓣电平最大值之比取以1 0 为底的对数，再乘 以l o ( 功率) 或乘2 0 ( 场强) 得到的值。通常希望副瓣电平越低越好。但一般情况下，某 个副瓣电平降低则其它副瓣电平升高。如果让所有的副瓣电平都相等坝0 可以得到较 低的副瓣电平。 ( 5 ) 极化。极化是天线的一项重要指标，天线在某方向的极化是该方向辐射电磁 波的极化( 对发射天线) ，或者为天线在该方向接收获得最大接收功率( 极化匹配) 时入射平面波的极化( 对接收天线) 。天线的极化与所讨论的空间方向有关，通常所 说的天线极化是指最大辐射方向或者最大接收方向的极化。 在空间某点电磁波的电场定义为该电磁波在这一点的极化。电场的指向就是该电 磁波的极化方向。电场矢量的指向不随时间变化的电磁波称为线极化波。电场矢量随 时间变化的矢量轨迹为一个圆或者椭圆的电磁波称为圆极化波或椭圆极化波。圆极化 波和椭圆极化波还有旋转方向的不同，若大拇指代表传播方向，电场旋转方向满足右 手关系，称为右旋极化波，满足左手关系则成为左旋极化波。 ( 6 ) 天线的输入阻抗和驻波比【7 埘。天线系统的输入阻抗直接影响天线发射效率。 天线通过馈线与发射机或接收机相连，工作于发射状态时，天线作为辐射装置，从发 射机得到能量，此时天线是发射机的负载；工作于接收状态时，天线将从空间接收到 的电磁波功率送至接收机，此时，天线对于接收机而言是个信号源。天线无论作为发 射天线还是接收天线，在天线的输入端( 馈电点) 都存在着阻抗少天线的输入阻抗是指 天线输入端电压与电流之比，即： 矿 互。= 二= r + i x ( 2 1 6 ) ” 式中实部为输入电阻，虚部为输入电抗。无论是发射天线还是接收天线，我们都 要求天线与馈线相匹配。发射天线匹配意味着馈线送来的高频功率全部供给了天线； 接收天线匹配可使天线输送给接收机的功率为最大。天线系统匹配的条件是： z i n = z o ( 2 1 7 ) 式中z n 是馈线的特性阻抗。 天线的驻波比用v s w r 来表示，它等于： 1 牟l t l v s w r = 掣( 2 1 8 ) 1 一n i 式中，1 1 ，为终端反射系数，它等于： l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 r 工= 面z , - z 了o ( 2 - 1 9 ) 一般要求天线的驻波比v s w r 1 5 ，否则天线的辐射和接收性能会因为阻抗失配 而受到影响甚至会使方向图发生畸变。 ( 7 ) s 参数【7 1 。s 参数表达的是功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式定 义网络的输入输出关系。s 参数的两端口网络模型示意图如图2 2 所示。 c l l _ l 卜 i 一 岛 图2 - 2 二端口网络s 参数示意图 口2 一 么 在线性微波网络中，由于归一化电压和电流之间呈线性关系，所以归一化入射波 与反射波之间也呈线性关系。设端口1 上的归一化入射波和反射波为q ，a ，端口2 上的归一化入射波和反射波为口2 ，6 2 ，则有： 阱臣撒 ( 2 - 2 0 ) 其中，矩阵【6 】是归一化反射波矩阵，矩阵【口】是归一化入射波矩阵，方阵【j 】是二 端口网络散射矩阵，简称s 矩阵。各矩阵元素称散射参数，简称s 参数，其物理意义 如下： li 焉= 丝i 为端口2 接匹配负载时，端口1 的归一化电压反射系数； 岛：暑0 为端i ：3l 接匹配负载时，端1 ：32 的归一化电压反射系数； 岛，：丝卜互0 为端口2 接匹配负载时，端i ：1l 至端口2 的归一化电压传输系数； 岛：斗z 2 0 为端口l 接匹配负载时，端口2 至端口1 的归一化电压传输系数。 s 参数跫最能代表微波网络特性的参数，它可以很容易转换为z 参数、y 参数、 a 参数、t 参数等其他网络参数，同时s 参数也是用网络分析仪最容易测定的参数， 因此在微波器件的设计测试中：s 参数是最常用的。 使用网络分析仪测量天线输入阻抗实质上就是测量天线输入端口的z 参数。由于 z 参数有实部和虚部，是矢量形式，因此只有矢量网络分析仪才能测量天线的输入阻 抗。标量网络分析仪可以直接测量出天线输入端的电压驻波比v s w r ，其定义如下： 坶w r ：甥：圳 ( 2 2 1 ) l f r | 1 一h i 回波损耗( r l ) 定义为： 北京邮电大学硕卜研究生学位论文 r l = - 2 0 1 0 9 f i = - 2 0 l o g l s l l i ( 2 2 2 ) ( 8 ) 天线带宽。天线的带宽可以定义为天线的性能符合规定标准的频率范围。带 宽是指中一t b 频率两侧间的频率范围，在此范围内，天线的特性如输入阻抗，效率，波 瓣指向，波瓣宽度，副瓣电平，方向性系数，增益，极化等与中心频率上的值相比较 在允许范围内。 对于宽频带天线，带宽一般用可允许工作的上，下限频率之比表示。例如，1 0 ： 1 的带宽表示上限频率是下限频率的l o 倍。对于窄带天线，带宽可用上，下限频率 差与带宽中心频率的百分比表示。例如，5 的带宽表示可允许的工作频率差是频带 中心频率的5 。 由于天线的各个特性参数随频率变化的趋势或受频率影响的程度不同，带宽特性 不是唯一的，依具体应用的需要而定。通常方向图和输入阻抗随频率的变化是不同的， 因而使用方向图带宽和阻抗带宽以示分别。与方向图带宽有关的参数是波瓣指向，波 瓣宽度，副瓣电平，方向性系数和增益。与阻抗带宽有关的是输入阻抗和辐射效率。 若对方向图带宽和阻抗带宽同时提出要求，取其中较窄的作为整个天线的带宽。 2 3 天线的测量 天线参数测量的重要性在于：验证理论分析和计算是否正确；对于已定型的天线 批量生产中，需要抽样检验天线参数是否合格；已在现场使用日久的天线，需要定期 检查其性能是否下降；特别是研制一种新天线时，天线参数的实验测量更是必不可少。 天线系统一般都有两方面的特性，电路特性( 输入阻抗、效率、频带宽度、匹配程 度等) 和辐射特性( 方向图、增益、极化、相位等) 。天线测量的任务就是用实验方法测 定和检验天线的这些参数特性。 2 3 1 天线回波损耗的测量 在本文中，主要对天线进行了匹配程度方面的测量。所用仪器为安立公司的矢量 网络分析仪m s 4 6 2 0 a 9 - 1 0 ，仪器图片如图2 3 所示： 1 2 北京邮电大学硕研究生学位论文 圉2 - 3 托量网络舯f 仪m 8 4 6 2 0 a 下面介绍一下如何使用该仪器测量天线的s 参数。 s 参数是反映被测器件参考面上归一化的进入器件的信号与归一化离开器件的信 号之间的关系。称为散射参量。矢量网络分析仪是测量s 参数的最常用的仪表。对s 参数的描述可以包括幅度和相位信息。对于如天线这样的单极口器件而言。只需要测 量其s l l 参数即可。在测量天线的s 参数之前，为了测到被测件最真实的数值，必须 将m s 4 6 2 0 a 网络分析仪加以校准。否则所得到的结果会包含仪器及外围装置的影 响，而非只有被测件本身。校准过后，面板上的c a l 按键的l e d 会亮起作为提示。 这里，我们用到了o s l t ( o p c n s h o r f f l o a d q h r u ) 校准，标准的o s l t 组件包括有 o p e n ，s h o r t ，b r o a d b a n dl o a d ，以及t h r o u g hl i n e 。这些组件可消除系统的误差至最 低。操作步骤如下： ( 1 ) 按下仪器右下角的c a l 按键，开始s 参数测量校准。 ( 2 ) 选择屏暮选项按键p e r f o r m m 姐u a l c a l ，选择p e r f o r m 2 p o r t c a l ，选择 n e x t c a l s t e p 。 ( 3 ) 对于天线而言p u l l1 2 - t e r m ( 做四个s 参数的校准) 。 ( 4 ) 选择r e f l e c t i o no n l y 误差校准，即只测量器件的s 1 1 参数。 ( 5 ) 选择e x c l u d ei s o l a t i o n ，表示不做i s o l a t i o n 。 ( 6 ) 选择频率扫描方式为n o r m a l ，其后可以设定s t a r t 和s t o p ，以确定扫描的起 始和终止频率位置。 ( 7 ) 选择接头形式，例如p o r t lc o n n = r y p e n ，p o r t2 c o n n = t y p e n ( o 等。 ( 8 ) s t a r tc a l 开始校准操作，并按照屏幕上红色的提示连接不同的标准件，如开路 器件，短路器件，匹配器件以及直通器件，完成枝准步骤。 ( 9 ) s a v e 将仪表设定和校准结果保存在内存或硬盘或软盘内。 北京邮电大学硕十研究生学位论文 ( 1 0 ) 完成校准后即可以将被测件连接于设定的( 校准的) 测量端口上进行测量。 2 3 2 天线方向图的测量 天线方向图是用图示的方法来表示天线辐射能量在空间的分布。因为天线的方向 性、增益、相位、极化特性可由方向图中导出，所以把方向图作为天线最重要、最基 本的参数来测量。如果测量场强，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图； 测量极化，就得到极化方向图。测量方向图常用方法是旋转天线法及固定天线法【l 。 旋转天线法是待测天线绕自己的轴旋转，辅助天线固定不动。固定天线法是待测天线 不动，辅助天线绕待测天线转动。其测试装置的基本框架图如图2 4 所示。 待测天线辅燃 二二= = = z 二1 转台 回 信号嬲槲 图2 _ 4 方向图测试装置 方向图测量中功率信号源是一个基本条件，要有足够的发射功率；待测天线接收 端要有准确的读数设备；同时还应减小周围环境及人体的干扰。较为准确的方向图测 量过程应该在微波暗室里进行。 2 3 3 天线增益的测量 增益是天线极为重要的一个参数，用它可以衡量天线辐射能量的集中程度。天线 增益分为方向增益和功率增益。一般把测量天线增益的方法分成相对增益测量和绝对 增益测量两类。就具体测量方法而言，又可分为比较法、两相同天线法、三天线法、 镜象法、外推法、辐射计法以及通过测量与增益有关的其他参数而求出天线增益等方 法【l l 】。除比较法属相对增益测量外，其余方法都是绝对增益测量。比较法只能确定待 测天线的增益；绝对增益测量不仅可以确定待测天线的增益，而且可以确定标准天线 的增益。不论是相对增益测量，还是绝对增益测量，都是以式( 2 2 3 ) 所示的功率传输 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 公式为基础。 e = ( 去) 2 eoo,q(2-23) 式中，为接收天线的最大接收功率( 、聊， 为发射天线的输入功率( w ) ， g 为发射天线的增益， g ，为接收天线的增益， r 为收发天线问的距离( r a m ) ， 五为工作波长( m m ) 。 必须指出，式( 2 2 3 ) 是在两天线极化匹配下得出的。式( 2 2 3 ) 用d b 表示为： g t d b + g ，d b = 2 0 l g ( 4 万r 五) 一1 0 l g ( 只e ) ( 2 2 4 ) 选用比较法来测量天线的功率增益。所用设备和图2 4 的设备相同，辅助天线采 用对称振子天线：先把两对称振子天线分别作为发射天线和接收天线，固定发射天线 的功率和方向，水平旋转接收天线使接收天线接收功率最大，读取接收天线的功率。 然后将对称振子换成待测天线，转动接收天线，得到天线的最大接收功率，与对称振 子天线增益相比较就得到待测天线增益。 2 4 天线的仿真 天线设计中引入数值计算方法使现代天线设计方法进行了一次变革，使得天线设 计不再是实体天线结构的“c u t - a n d t r y ，而成为基于理论的精确计算，和根据计算结 果进行有效预测和有指导性的设计。现在基于数值计算的天线设计方法已深入到各种 类型天线、各种应用天线的研发和设计中。现在使用最多，比较成熟的数值计算方法 有矩量法( m e t h o do f m o m e n t ，m o m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e w ) 、时域 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，f d t d ) 等。现在已经开发出基于这几种数 值方法的商用软件，如图2 5 所示。这几种软件都有各自的特点，面向不同的天线具 有各自的特长和不足。比如使用i e 3 d 计算平面天线( 包括微带天线) 时，具有计算 速度快，精度高等优点，但建立模型较为麻烦。在z e l a n di e 3 d 中，还集成了各种优 化工具，提供了3 个强大的最优化方案：( 1 ) 随机( r a n d o m ) 优化；( 2 ) 鲍威尔( p o w e l l ) 优化；( 3 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 优化。p o w e l 最优化程序是最