小型双频贴片天线的设计制作分析

1、小型双频贴片天线的设计制作分析本章设计了一款应用于RFID的双频印刷天线.此天线可以同时工作在2.4GHz和5/7GHw两个频段*将大大增加RHD系统的兼容性欢叫印刷天线的带宽比较窄，本文通过优化缝隙的形状与尺寸*力求反射损耗小于-15dB时天线在两个频段的带宽分别达到200MHz和500MHz以上.RFID系统对天线的尺寸要求较高，这里将采用添加金属线的方法来减小天线的尺寸卩5-2天线结构瑚过肃文对几种方法的对比研究,本文将采用一种椭圆槽加载的单扱子天线实现双频工作.天线的结构如图5J所示，L和W分别表示金属地板的长和宽，在金风地板上开一个橢圆形的缝隙.在椭圆缝隙的侧边加开一个小三角形补偿隙

2、.a2.b2表示橢圆的长轴和短轴尺寸1al.bl丧示三角形缝陳的基本尺寸.在椭ffil缝隙上添加一条金属线用以减小天线的尺寸（在后文将会分析h其尺寸分别为aKb头基片另一侧的矩形微带线用来对缝隙单元I#电*即图中有阴影的矩形.介质基板采用FR/材料，其介电常数是44厚度是1.6mm.图51天线的结构图5.3软件仿真结果及分析下面使用ADS(AdvancedDesignSystem)软件仿真徇到天线的表面电流、反射损耗、增益和方向图等参数，并分别对其分析.531天线的表面电流及分析天线在2.4GHz和5.7GHz频率点时的电流分布分别如图52、图5-3所示.由图可以看出，在2.4GHz频率点时，

3、金属线产生的感应电流沿着椭圆形缝隙对称地向两边流动由电流路径可知，此时天线可以等效为一个工作在2.4GHz的偶极子天线相比于矩形缝隙，在椭圆形缝隙中电流路径上没有折线，电流不会在线段拐弯处产生突变，很大程度上改善了天线性能.同时，通过分析表面电流可以看到，加载金属线使得天线电流的路径变长,从而减小了天线的尺寸.图5-3中心频率为5.7GHz时的电流分布如图53所示，天线工作在5.7GHz时形成了新的电流路径.沿着缝隙边缘电流出现了截断区，在缝隙的下半部分（即图中左半部分）形成一个新的高频的谐振电流通过图2和图3的电流分布可知，两个谐振频率分别为槽的全波长模式和半波长模式，因而实现了天线同时工作

4、在两个不同的频率下.5.32天线的反射损耗天线的反射损耗曲线仿真结果如图5,所示.天线有两个工作频段，反射损耗小于15dB时工作范围是2.3482.625GHz和53676.475GHz,中心频率分别为2.486GHz和5.843GHz低频段的绝对带宽为277MHz,相对带宽为11.2%.髙频段的绝对带宽为1111MHz,相对带宽为19.0%。上述参数完全满足设计要求，可以应用于2.4GHz和5.7GHz两个工作频段的RFID系统-5DOp-2_h!348dHB14.771mTqdB*4.841367GHz12B1(4.834.mvsw656IdB414.974frda=2.486G幻日一16

5、383eq»5.i八日吒843GHz.7471234667Frequency图54Sn的仿真结果天线的增益和方向图图5-5为天线分别工作在2.4GHz和5.7GHz两个工作频段随THETA角而变化的增益曲线.由图可知，在theta=0度时，有最大增益，分别可以达到3dB和1.4dB,且两个频段的方向性较好的一致.QOQ(a)2.4GHz(b)5.7GHz图55天线的増益和方向图我们还可以观察天线的辐射方向图:工作在2.4GHz时,180O第-10-15-20图55天拔工作在2.4GHz的辐射方向图工作在5.7GHz时:ISO图W天线工作在5.7GHz的辐射方向图由图5-5."

6、;可见，在两个频段E面都有偶极子的特性，H面都具有良好的全向性.在5.8GHz的H面发生了一定的畸变，但仍然具有良好的增益.534天线的尺寸使用ADS对设计的天线各部分尺寸反复优化后得到天线的最佳尺寸如表5-1所示：*5-1天找各部分尺寸參数（单位，mm）参数大小参数大小L65W50a35b2.53|15b»923b237.1%9.9bj35.4实测结果和分析由图5»7可见，低频段的绝对带宽为410MHz,相对带宽为17.1%,高频段的绝对带宽为760MHz,相对带宽为13.3%,完全达到设计要求.(a)Sil的实测结果cB(S(1耳#15491!mlfreq-222C5H

7、zreq242OGHi0GHz“5054B(S(1;1)-36517冋5.800GHz出因)屮2202lVVIfIIOXrr>4freq«!dB«r340GHz1)-15.664m5freq-fdB«l100GHz1)-14.609freqGHs(b)实测结果的具体值图57天线的实测结果图58是实测的史密斯圆图的截图由(a)和(b)可以看出，天线工作在2.4GHz和5.7GHz两个频率点时，其阻抗分别为和49.480+j0.667Q可知，天线在2.4GHz和5.7GHz时都能达到很好的匹配效果/、1.257于"5O»24Q3.5705Q:

8、/、1.257于"5O»24Q3.5705Q:图58阻抗匹配测试结果通过上述测试结果可见，此天线完全满足我们的设计要求，可以应用在射频识别的2.4GHz和5.7GHz两个频段.RFID的应用正日趋广泛，尤梵是应用于零售业Z后，对RFID系统标签天线的体积、成本等的要求越来越高.标签天线的小型化成为当前研究的一个热点标签天线的另一个研究热点長天线的双频工作.因为RFID在全球范用内没有一个统一的标准，各国对频段的划分有所不同，天线采用双频工作模式时可以增加RFID系统的兼容性本文分析了贴片天线实现小型化和双频工作的发展现状，对比了实现小型化和双频工作的几种方法在文中分别对矩形

9、贴片天线和偶极子贴片天线进行小型化设计和仿真研究.本文的主要研究工作如下；本文根期微带天线的辐射机理，利用传输线等效法推导出矩形贴片天线和偶极子贴片天线的尺寸计算公式为天线的设计和优化提供了理论基础.1. 通过理论计算得到天线的基本尺寸后，本文利用仿真软件ADS对矩形站片天线和偶极子贴片天线进行建模仿真.并利用ADS对贴片天线进行自动优化，显示了ADS的强大功能.2. 本文对矩形贴片天线和偶极子天线分别进行小型化设计。以矩形贴片天线为基础，本文设计了一款小型化贴片天线.利用开锯齿边缘实现天线的小型化为了提高天线性能，进一步使用圆弧边缘代普锯齿边缘；偶极子天线采用折弯偶极子臂的方法实现小型化.3. 本文进一步设计了一款小型双频贴片天线.通过添加金属线和椭圆形缝隙加载分别实现了天线的小型化和双频工作.采用椭圆形缝隙加孩提离了天线的性能.4. 加工了本文设计的两款贴片天线：工作在2.4GHz的小型站片天线和工作在2.4GHz和5.7GHz的小型双频印刷天线.测试结果与仿真结果一致，满足设计要求，验证