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北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 第1 章绪论 r f l d ( r a d i of r e q u c n c yi d e n 断c a t i o n ) 即射频识别技术，又称电子标签 ( e 一i 她) 技术，是一种利用射频信号在阅读器和贴有电子标签的目标对象之 间通讯，以实现人们对各类物体或设备在不同状态( 移动或静止) 下，以及 各种恶劣环境下的自动识别并获取相关信息的技术。r f i d 技术的出现克服 了条码尺寸大、容量小和磁卡寿命短、容易丢失数据的不足，以其非接触、 快速识别、阅读距离远、能够同时识别多个标签和可穿透非金属的特性， 使其应用迅速遍及物流、交通监控、自动收费、金融交易等等自动化领域， 拥有广阔的市场前景和巨大的社会效益。 1 1 微带天线技术研究现状 所有无线通讯的设备都离不开天线，而微带天线以其体积小、成本低、 平面结构、易于实现双极化和圆极化等优点展露头脚，并已经在r f i d 系统 中得到应用。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而 形成的天线。它通过微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之 间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板问的缝隙向外辐射。其概 念早在1 9 5 3 年就由d e c a m p s 提出来了，但是真正的发展和实用是在7 0 年代， 之后，世界各国的研究人员对微带天线的贴片形状、馈电技术、基板构造 和阵列排列等方面作了大量的研究，微带天线无论在理论还是在应用的深 度和广度上都获得了进一步的发展，现在己从大约1 0 0 m h z 应用至1 0 0 g h z ， 已成为一个专门的天线分支。微带天线并非完美无缺，它的低辐射效率、 窄频带特性和极化纯度差、寄生馈电辐射太、功率有限等不足还在吸引着 无数专家为之拼搏。 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 1 1 1 微带天线的发展近况 近些年来，天线作为通信、广播、雷达、制导等无线电应用系统的关 键设备在功能、设计及制造工艺上都发生了巨大变化。尤其微带天线以其 重量轻、可共形、易集成、便于匹配等优点获得了更多青睐，发挥了其得 天独厚的优势。尤其在移动通信和射频识别中，微带天线的地位在将来的 发展中将无可比拟。人们历经几十年的努力，在克服其固有缺点方面得到 了长足进展，主要体现在以下方面。 1 1 1 ，1 频带特性 一般单层微带天线的带宽只有o 7 一7 ，频带窄这一主要缺点制约了 它的发展。目前，很多的研究人员致力于展宽微带天线带宽的研究，使得 天线单元的带宽达到了2 0 甚至更高( v s w r 2 ) 。 近年来所开发并经优化设计的双层贴片和u 形槽贴片，无论在探针或 槽孔耦合的馈电方式下都获得了高达4 0 的阻抗匹配微带，使制约贴片频 带的因素转化为辐射效率和极化特性( 2 0 以上) 上。此外。微带贴片结构可 实现( 较窄频带的) 双频或多频工作，其下一目标是获得大频率比和可控频 率比的宽频带特性。 1 1 1 2 小型化 微电子技术与大规模集成电路迅猛发展，使天线成为电子设备中庞大、 笨重部件的问题日渐突出，因而对能与设备大小协调且具有有效电性能的 小天线的需求愈加迫切，较低频段( v h f 御h f ) ，传统的半波长微带天线尺寸 仍然很大。这样，实用化小型微带天线的研制，成为国内外研究热点。 北京交通大学颈士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 在v h f 、u h f 频段采用加短路片( 或销) 、切曲折槽和介质谐振加载等 技术措施，可做到1 ：4 的缩尺率，但频带较窄，辐射性能有所降低。在微 波毫米波单片集成系统中，高介电常数的基片使贴片的几何尺寸进一步缩 小，困难转化为如何抑制基片中存在的表面波效应。近年来出现的“光子 带隙p b g ( p h o t o i l i cb a n d _ g a p ) ”基片材料可以有效地抑制表面波，解除了 用较厚基片的限制，并可提高天线的增益、减弱阵元之间的互耦。 1 1 1 ，3 馈线网络 采用探针或槽孔耦合的背馈方式将辐射部分与馈线部分接地板隔开， 是优先考虑的结构方案。微带线馈电网络会引入明显的导电损耗和色散性； 非色散的带状线不便与电路集成一体：介质波导馈电的方案则另辟蹊径而 受到重视。空间功率合成的有源阵将各辐射单元直接与传输，接收组件连 接，减少了馈线长度，接收通道的放大器还可补偿其传输损耗，将成为大 规模阵列系统的发展主流。 1 1 2 天线设计的主要工作 当前，l 心i d 技术研究工作主要集中在天线设计、频率选择、防冲突 技术等方面。低频频段绕开障碍物能力强但覆盖范围相对较小、能量低、 数据传输率小、方向性不强、穿透能力较弱，高频频段覆盖范围大、能量 高、数据传输率大、方向性和穿透能力都相对较强但却易被障碍物阻挡， 频率选择影响着标签的性能和尺寸大小，关系着标签与读写器的价格，而 且为了产品的通用，还必须考虑着各国对无线电频段使用和发射功率的规 定，所以选好频率很重要。另外，在一个阅读器阅读范围内存在多个电子 标签或者多个阅读器同时给一个电子标签发送数据时，便出现了通信冲突 北京交通大学硕士学位论文r f l d 系统中的徽带天线优化设计 1 1 3 微带天线的分析和优化设计方法 微带天线的分析方法可分为两类，一类为简化分析法，即以降低精度 或通用性为代价而保持分析的简单性，比如传输线模型分析法；另一类为 全波模型，即以牺牲计算简单性为代价而保持分析的严格性及精确性。 为提高天线的辐射效率，需要抑制表面波效应。由于表面波激励与天 线的尺寸、形状是相对独立的，因而从任意微带天线单元的全波解析来获 得表面波的通用结果是可能的。有了对表面波的分析就可以研究抑制表面 波的方法。以严格方法计入介质基板影响的微带天线模型称为全波模型。 这些模型通常假设基板在横向尺寸上为无限大，并在空气和介质界面上强 加了适当的边界条件，对介质板使用精确的格林函数，这是最一般的方法。 它考虑到空间波辐射、表面波模式、介质损耗和对外部单元的互耦。所以 若想分析表面波损耗，计算天线的确渤礞舔。潲 臻借潜峪毽谨趟强j 篇巅善，毫萤副并疆 潜匾5 摹 波方法具有准确性、完整性、通 用性等优点，但同时它的计算也比较复杂，比较耗时。微带天线的设计借助 于辅助设计软件能够大大提高设计质量和效率，缩短设计周期，降低 研制成本，比如众所周知的m a t l a b 以及基于有限元法的h f s s ( 碰g l lf r e q u e n c ys 协】嘶】r e s 砀1 l l a t o r ) 和基于矩量法的e n s e m b l e 两种软件。h f s s 是 一种功能比较完备的三维场仿真软件。e n s e m b l e 软件也是场仿真软件，它可以 计算和仿真单层和多层微带天线、多种微带电路以及多种阵列天线等。但 是e n s 鲫b l e 不能绘制和仿真结构复杂的三维微带天线， 相对hfss而言有一定的差距。本文在微带天线的仿 真设计中采用了a n s o f t 公司推出的三维电磁仿 北京交通大学硕士学位论文r f l d 系统中的微带天线优化设计 若不限定贴片形式，展宽频带的方法更多，主要有： 1 ) 选择贴片形式。已表明，矩形比圆形贴片频带稍宽；若适当选择馈 电点，椭圆形和环形贴片可获得更宽带宽。 2 ) 改变构造。例如，将矩形贴片的纵截面改成阶梯形或劈形，带宽约 宽一倍：采用圆锥形导体结构也比圆形贴片带宽宽一倍。 3 ) 选择材料。例如，采用铁磁材料作基片，不但大大减小了贴片尺寸， 且使频带明显展宽。 1 2 2 多频段工作 多频段的基本实现方式可分两类：单片与双片。双片法利用谐振频率 不同的两个贴片来工作。通常将较小的贴片叠在较大贴片上，称为背驮式 微带天线。对矩形贴片，选用的是t m o l 模和t m l o 模，二者谐振频率比约为 1 ：3 。可插入短路针来提高t m o l 模谐振频率，或在贴片上开缝来降低t m l o 模频率，从而控制二频比。 1 2 3 馈电方式 现在有微带线边馈、同轴线底馈、电磁耦合、口径耦合四种方式。若 基片较厚，采用微带线边馈时微带馈线尺寸大。一种解决办法是将微带馈 线及馈电网络刻蚀在另一薄片上，反贴于背面。上述馈线与贴片通过一短 针相连；但也可改为在中间接地板上开一孔来耦合，即口径耦合方式。厚 基片时同轴线的引线电感大。 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 1 2 4 抑制表面波效应的技术 r f i d 技术的研究很深刻地体现了矛盾原理，即：在我们提高微带天线 某一个性能的同时，往往会减弱另一个性能，比如拓展天线带宽和提高辐 射效率就是一对矛盾。在通过加厚介质基片、叠加贴片技术使微带天线带 宽展宽的同时，天线的损耗加重了，效率降低了，于是人们又将目光转向 了天线效率的提高上。影响天线效率的主要原因是导体损耗、介质损耗、 表面波损耗、反射损耗等。其中当介质基片厚度增大时其表面波损耗占主 导地位。所以要想提高天线的辐射效率，加强抑制表面波损耗的研究至关 重要。 1 3 本文的研究内容及作者主要工作 1 3 1 本文的主要内容及安排 全文共分七章，首先概要地阐述了r f i d 系统的组成、各组成部分( 应 答器、阅读器、微带天线) 的工作原理，随之较为详细地阐述了r f i d 的电 磁学基础和通信学原理，包括电感耦合和电磁反向散射耦合两种类型。然 后针对r f i d 的重要组成部分一微带天线给出了小型圆极化优化设计和宽 带优化设计，它们在实现小型、宽带、圆极化的同时，重视了对天线辐射 效率的提高，而提高效率的方法主要是抑制表面波的传输，最后针对提高 辐射效率讨论了两种典型的、很有效的方法。各章的具体安排是： 第一章绪论，主要在频带特性、小型化、馈线网络方面阐述了微带天 线的发展近况及其分析和优化设计方法，筒述了当前天线设计的主要工作。 对微带天线的主要技术一宽频带技术、多频段工作、馈电方式和抑制表面 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 波技术作了概述。 第二章天线设计的基本理论，首先给出了r f i d 系统的基本组成及简 要工作原理，接着对其重要组成部分应答器、阅读器描述了工作原理和组 成，然后对应答器和阅读器通信的桥梁微带天线依据耦合类型不同分两 方面展开了详细的论述。 第三章抑制表面波的小型圆极化优化设计，先是概要给出了当前微带 天线小型化的主要方法，然后提出了小型化设计和圆极化设计的理论依据， 据此设计出了小型圆极化天线，由于微带天线的背面采用了悬置p b g 结构， 能够达到抑制表面波从而提高辐射效率的效果。最后给出了仿真结果。 第四章标签天线的常规设计，根据工程要求，按照常规方法设计了矩 形微带天线，由于采用了较高的2 4 g h z 工作频率，使得天线尺寸较小，虽 然带宽能够满足要求，但带宽并不算宽，有待拓展。 第五章宽带优化设计及仿真分析，首先给出了影响微带天线带宽的因 素，接着给出了带宽拓展的一般方法。然后给出了双层贴片、同轴探针顶 部附加小平面电容片对天线馈电的理论依据和设计实例。由于没有采用通 常的增加介质厚度的方法，也就相应避免或者说是减少了表面波的损耗， 提高了辐射效率。 第六章提高天线辐射效率的研究，从结构设计方面给出了两种抑制表 面波的方法，一种是在天线贴片周围放置过孔，另一种是p b g 的光子带隙 材料。 第七章总结与展望，总结了本论文的成果和不足，并对徽带天线以后 的发展作以展望。 9 北京交通大学硕士学位论文 r f l d 系统中的微带天线优化设计 其中：，= 电流 ，= 距离导线中心的距离 介电常数风= 4 万1 0 - 7 ( 乒招n 砂m e 研) 在导线无限长的特殊情况下口= 一1 8 0 。、口：= o 。，公式( 2 3 ) 可写为： 民= 掣( 耽6 e ，m 2 )( 2 4 ) 匝环形天线线圈产生的磁场如图2 7 所示，其磁场大小为： 图2 7 线圈电流i 在点p 产生磁场b 的计算 耻弗， * 华由”确情况下) 一 其中口为线圈半径，为沿z 方向距离线圈平面的距离，式( 2 5 ) 在线 圈高度远小于线圈半径且r 孕( 考察点在近区场中) 时成立。 将式( 2 - 5 ) 对口求导得到： 皿= 胁腑( 口2 + r 2 ) 2 ( 2 ，2 一d 2 ) 2 ( 2 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 2 2 微带天线基本理论 2 2 1 微带天线的定义、结构和工作原理 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天 线。它利用微带线或同轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频 电磁场。并通过贴片四周与接地板问的缝隙向外辐射。 导体贴片一般是铅和金，可取任意形状，但是，通常都用规则的形状， 如矩形、圆形或圆环形等以简化分析和预期其性能。基片的介电常数应较 低，这样可增强产生辐射的边缘场，但是，也有其它的一些性能则要求使 用介电常数较大的基片材料。目前己研制成了介电常数范围较大和损耗角 正切低的各种类型的基片。 微带天线的工作原理【1 l 可由考察矩形微带贴片来理解。如图2 4 所示， 贴片尺寸为口6 ，介质基片厚度为 ， 九，矗为自由空间波长。微带 贴片可看作宽口长6 的一段微带传输线，其终端口边处呈现开路，将形成电 压波腹。一般取6 “以2 ，l 为微带线上工作波长，于是另一端4 边处也 呈电压波腹。 砷i 片辐射器 图2 4 矩形微带贴片天线示意图 1 4 北京变通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 假定电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化，仅沿约为半波长的 贴片长度方向变化，该电场可近似表达为： t = 民c o s ( 删6 )( 2 - 1 ) 天线的辐射由贴片四周与接地板问的窄缝形成，由等效原理知，窄缝 上电场的辐射可由面磁流来等效。等效的面磁流密度为： m ，= 一五e( 2 2 ) 沿两条口边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向同相叠加， 呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。沿每 条6 边的磁流都由反对称的两个部分构成，它们在h 面上各处的辐射相互 抵消；而两条6 边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在e 面上各处，它们 的场也都相互抵消；在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿 两条口边的辐射相比，都相当弱。由上，矩形微带天线的辐射主要由沿两 条口边的缝隙产生，该二边称为辐射边。所以贴片可表示为相距五2 、同 相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙。也可以考虑电场沿贴片宽度 的变化。这时，微带贴片天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示。同样， 其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。 2 2 2 微带天线的优缺点和应用 与普通微波天线相比，微带天线的主要优点有： 剖面薄、体积小、重量轻；具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等 载体表面相共形的结构：能与有源器件和电路集成为单一的模件；制造成 本低，馈电网络与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产： 稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化 等多功能工作。 微带天线的主要缺点是： 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 频带窄，有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低： 功率容量较小，一般用于中、小功率场合；性能受基片材料影响大。 不过，已发展了不少技术来克服或减小上述缺点。例如，已有多种途 径来展宽微带天线的频带，常规设计的相对带宽约为中心频的o 7 7 ， 新一代设计的典型值为1 5 2 0 ；若利用带固态功率放大器的有源微带 子阵来组阵，可获得相当大的总辐射功率。 在许多实际设计中，微带天线的优点远远超过它的缺点，甚至在处于 它的发展早期，微带天线已有许多不同的和成功的应用。随着微带天线的 继续研究和发展以及日益增多的使用，可以预料，对于大多数的应用，它 将最终取代常规的天线。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：卫 星通讯、导弹遥测、武器引信、电子对抗、无线电测高计、多普勒及其它 雷达、环境检测仪和遥感、医用微波辐射计、指挥和控制系统、复杂天线 中的馈电单元等等。 2 3r f i d 的电磁学理论基础 射频识别系统的基本模型中，电子标签作为数据载体，阅读器作为读 出装置。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合。在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。 ( 1 ) 电感耦合。即通常所说的变压器模型，通过空间高频交变磁场实 现耦合，依据的是电磁感应定律，如图2 5 所示。 ( 2 ) 电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目 标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型 1 6 北京交通大学硕士学位论文 r f l d 系统中的微带天线优化设计 样 罨 图2 5 电感耦合模型 的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k i z 和1 3 5 6 m h z 。识别作用距离一般小于1 m 。 电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别 系统a 典型的工作频率有：4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g i z 和5 8 g h z 。识别 作用距离大于l m ，典型作用距离为3 1 0 m 。 2 3 1 电感耦合的电磁学理论基础 2 3 1 1 天线线圈产生的磁场 安培定律给出：导体上的电流会产生围绕导体的电磁场，图2 6 示出 了直导线电流产生的磁场。有限长导线上电流产生磁场如下： 风= 亭( c 。s 口：一c 。s q ) ( 胁6 e ，m ：) ( 2 3 ) 图2 - 6 直导线电流i 在p 点产生的磁场b 的计算 北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 度和电流、线圈匝数以及线圈面积成正比。此外，根据式( 2 6 ) 不难分 析出，较小的线圈在其中心产生较大的磁场强度；较大的线圈在较远处产 生的场强较高，这一点是在电感耦合r h d 系统的天线设计中应当考虑的 一个因素。 2 3 1 2 天线线圈中产生的感应电压 法拉第定律表明：闭环路径表面的时变磁场在线圈中产生电压。这一 基本定律与被动r f i d 设备的应用紧密相关。 图2 8 示出了r f i d 应用的简单图示。当标签和读写天线在适当距离 内时，读写器天线线圈产生的时变磁场口在标签天线上产生电压( 叫做电 动势或简称e m f ) 。这个电压在线圈中产生电流。这就是法拉第定律。 标签天线线圈中产生的电压等于磁通量甲的时间变化率。 图2 - 8r f i d 应用的读写器和标签天线的基本配置 矿：一譬 ( 2 7 ) 其中：= 天线线圈的匝数 甲= 通过每一圈的磁通量 负号表示产生的电压与磁通量的变化相反。 这就是楞次定律，它意味着感应电流产生的磁场阻碍原磁场的变化。 1 9 北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 式( 2 7 ) 中磁通量甲是通过天线线圈整个表面的磁场b 的积分，由式 ( 2 8 ) 给出： 甲= i 占丛( 2 8 ) 其中：丑= 式( 2 5 ) 中的磁场 s = 线圈面积 = 向量丑和面积s 的内积( 磁场b 和面积s 都是向量) 式( 2 8 ) 中两个向量的内积表示通过天线线圈的总磁通量甲受天线线 圈方向的影响，两个向量同向时内积最大。因此，通过标签线圈的磁通量 在两个线圈( 读写器线圈和标签线圈) 互相平行的时候最大。 从式( 2 7 ) 和式( 2 - 8 ) 可以得出，天线线圈中感应电压由式( 2 9 ) 决定： = 纠u 昭oc o s 口c o s ( 耐)( 2 9 ) 其中：口= 到达信号的频率 = 线圈的匝数 s = 线圈面积( m 2 ) 鼠= 到达信号的强度 a = 到达信号的倾角 如果线圈按到达信号的频率( 1 2 5 k h z ) 调谐( 包括电容c ) ，输出电 压将增大很多。输出电压大小为式( 2 9 ) 中得到的输出电压乘调谐线圈 的q ( 品质因素) ，品质因数q 在典型低频率r f i d 应用中可以在5 到5 0 间变化。 = d 峪s 岱c o 耐)( 2 1 0 ) 其中q 是品质因素。 北京交通大学硕士学位论文r f l d 系统中的微带天线优化设计 天线线圈中产生的感应电压是到达信号角度的函数( 如图2 9 所示) 。 当天线垂直到达信号方向即口= 0 时，感应电压最大。 图2 - 9 标签天线的方向依赖 2 3 1 3 天线线圈的通信机理 r f i d 系统中，阅读器和电子标签之间靠两个线圈之间的耦合来进行通 信，其等效原理如图2 一l o 所示。这里首先假定两线圈的半径r 旯，且 匝线圈的高度d 远小于线圈半径r 。 那么，在线圈1 和线圈2 的互感系数珐，可表示为： 破2 = ，日i s 2c o s 甲( 2 1 1 ) 其中，日。为线圈l 在线圈处产生的磁场强度 2 l 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 图2 1 0 感应耦合r f i d 系统 s ：为线圈2 的面积 甲为感应的相位差 线圈2 中产生的互感厶：可表示为： k = 竽 ( 2 - 1 2 ) 则线圈2 中产生的感应电压k ：为： 肾一2 警= ，洲：识： ( 2 - 1 3 ) 线圈2 中将产生一个感应电流l 来阻止第二个线圈中电感的变化，线 圈2 中产生的电感电压为： 一厶鲁= ，越：，： ( 2 - 1 4 ) 小环天线的自感三：可由式( 2 1 5 ) 给出： 妒眺孵) “s p 均 其中口为线圈2 的线半径；6 为线圈2 的环半径，且日 6 。 假定线圈2 的负载电阻为也：，则其产生的压降：为： ：= ，z 震l 2 ( 2 - 1 6 ) 小环天线的欧姆电阻r 。：由式( 2 一1 7 ) 给出： 北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 2 争愿 ( 2 - ，) 可以得到线圈2 产生的整个感应电压k 为： = k ：一一， ( 2 1 8 ) 由式( 2 一1 3 ) 、( 2 一1 4 ) 、( 2 一1 6 ) 及( 2 一1 8 ) 可以得到： = 歹吐埘2 二妇l s 2c o s v j 2 ( j 乙+ r 舱)( 2 1 9 ) 同样在线圈l 中产生的电压矿可写为： k = 歹出i 工时2 s 1c o s 甲一j l ( ，鸸+ r 1 ) ( 2 2 0 ) 对于给定的工作频率，线圈2 上最大的感应电压必须使线圈产生谐振。 l c 电路的谐振频率垃，为： 1 国2 赢 2 。2 1 ) 因此，为了使线圈产生谐振，在线圈1 上附加串联谐振电容c 。而在 接收线圈上增加并联谐振c ，使馕个线圈中产生共振匹配谐振。 式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 表明，通过改变电子标签天线的负载阻抗z ，使得电 子标签中的电流j ：改变，从而引起磁场的变化。在低频r f i d 系统中，正 是通过检测这种磁场的变化，完成电子标签和阅读器之间的数据通信。 电子标签中负载阻抗的变化可以使用电容也可以使用电阻。通过数据 流控制的开关并联电阻或电容使标签的阻抗变化。由于电阻的改变会引起 欧姆损耗，所以r f i d 系统中一般采用并联电容的方式来改变标签天线的 负载阻抗。 2 3 3 电磁反向散射耦合通信机理 当电磁波从雷达天线向周围空间发射时，会遇到不同的目标。那么到 达目标的一部分高频能量以不同的强度散射( 或反射) 到自由空间的各个 方向。当然有某一小部分能量会返回到发射天线，被称为回波( 如图2 一1 1 北京交通大学硕士学位论文r 刷d 系统中的微带天线优化设计 c 。蔓 ， 豆寻t 。：_ ； 图2 1 l电磁反向散射耦合模型 所示) 。在雷达技术中，通过测量回波信号来测量远程目标的距离和定位。 另一方面，如果按照某一规律控制目标反射信号幅度、相位或频率( 称 为调制) ，那么雷达接收机在接收到反射信号后通过解调就可获得调制信 号的相关规律。如果这规律是一串有序的数字信号，那么就可以利用雷 达波束进行通信。 同样，如图2 。1 2 所示。对于微波射频识别系统来说，接收天线相当于 等效有一个可变负载。当天线的负载电阻z ，与天线的输入阻抗完全匹配 时，负载电阻能获得最大功率，天线接收到的能量被完全吸收。而当z ，= 0 案咽 图2 一1 2 调制的雷达散射 时，则属于完全失配情况，天线接收到的功率被全部反射出去，r f i d 系统 正是利用这一特性，通过数据信息控制天线负载的变化将电子标签存储的 数据信息调制到反射的电磁波中，实现从电子标签到阅读器的数据传输。 ， f 厂乱队-i-_l 厂，r _ i _ 1矿卣一上到 北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 当阅读器接收到反射信号时，进行解码获取被识别的信息。而被识别的信 息通常被存贮在电子标签中。电子标签含有被识别的专用信息，可以作为被识别物体的身份象征。 利用阅读器和电子标签之间的射频通信完成相关的数据交换，达到被 识别的目的。然后，接收到相关被识别信息的阅读器将相关信息通过局域网络系统和i n t e m e t 网路系统传送到直接管理部门，供管理者实时远程管 理以及跟踪。这就是r f i d 系统基于电磁反向散射耦合的简要工作原理。 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 以上。其缺点是： ( 1 ) 阻抗匹配极大地依赖于短路探针的位置及其与馈电点的距离， 往往需要馈电点的精确定位和十分微小的，这给制造公差提出了苛刻要 求： ( 2 ) 带宽窄： ( 3 ) 日面的交叉极化电平相对较高。 将短路探针替换为低阻抗的切片电阻( c h i pr e s i s t o r ) ，在进一步降低谐 振频率的同时还可增加带宽。随加载电阻增大，天线品质因素降低，带宽 展宽，制造公差降低，但这些性能的提高以牺牲增益为代价。一般情况下， 若加载l q 切片电阻，增益下降约1 5 d b 。此外，加载切片电容( c 呐) c a p a c i t o r ) 也可有效降低谐振频率，减小天线尺寸，但带宽有所减小。 3 1 2 采用特殊材料基片 从天线谐振频率关系可知，谐振频率与介质参数成反比，因此，采用 高介电常数( 如陶瓷材料) 或高磁导率( 如磁性材料) 的基片可降低谐振频 率，从而减小天线尺寸。这类高介质天线的主要缺陷是： ( 1 ) 激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，效率降低： ( 2 ) 带宽窄。为提高增益，常常在天线表面覆盖介质。如图3 2 所示。 采用铁氧体材料制成的微带天线实现小型化的同时，且在较宽频带范 围内频率可调( 可达4 0 ) ，但铁氧体在微波频段损耗很大。有机高分子磁 性材料在宽温度范围内电感和磁性能稳定，由其设计成的微带天线可显著 减小尺寸，但损耗大，增益低。高温超导材料h t s ( 1 l i 曲t e m p e 删= i l r e s u p e r c o n d u c t o r ) 基片以及“光子带隙”p g bq h o o o l l i cb 蛆dg a p ) 基片有极高 的表面电阻，能有效抑制表面波，减小表面损耗，解除了用较厚基片的限 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 l h l 1 1 2 h 图3 2 采用高e 。的多层介质基片 制，兼有提高天线增益，减弱阵元间互耦之效。 3 1 3 表面开槽( s l o t ) 当在贴片表面开不同形式的槽或细缝时( 如图3 3 所示) ，切断了原先 的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，在天线等效电路中 相当于引入了级联电感。由于槽很窄，它可模拟为在贴片中插入一无限薄 的横向磁壁。选择适当的槽从而控制贴片表面电流以激励相位差9 0 。的极 图3 - 3 表面开槽的小型化微带天线 化简并模，还可形成圆极化辐射，以及实现双频工作。图3 4 为表面开槽 的口径耦合馈电的小型圆极化贴片天线。 2 8 北京交通大学硕士学位论文 r f l d 系统中的微带天线优化设计 3 1 5 采用特殊形式 这些方法总的思路是使贴片的等效长度大于其物理长度，以实现小型 化目的。近年来由于无线通信的需求，有大量方案提出，如蝶形、倒f 型、 l 形、e 形、y 形、双c 形、层叠短路贴片( s 诅c k e ds h o n e dp a t c h ) 等等。 除以上小型化技术外，还有一些方法提出。为改善天线性能，一般综 合采用多种方法。 3 1 6 改善封装方式 日本藤仓、三洋电机和日本i k h y o n 日前成功地联合开发出了采用晶 圆级封装( w l p ) 技术的微波波段r f i d 片上天线。芯片尺寸小至2 m m 见方， 天线所占的面积约1 2 哪见方，非常小。尽管如此，传输距离却在1 0 c m 以上，在片上天线中已经是实现了较长的传输距离。 3 2 小型圆极化优化设计理论依据 3 2 1 小型化理论依据 小型化的方法很多，由于本文主要采用开槽技术实现小型化，所以仅 对此方法作以理论分析。微带天线开槽技术包括贴片开槽技术和接地板开 槽技术。 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 贴片开槽技术蟑3 指的是通过弯曲贴片表面激励电流的路径的小型化天 线技术。通过开槽，可以使常规形状的贴片天线表面电流路径弯曲，这样 就增加了天线贴片的有效长度，从而使谐振频率降低。 图3 5 示出了矩形贴片微带天线的开槽方法。 图( 3 5 a ) 是在矩形贴片的非辐射边插入一些细缝，由图可以看出，天线 c i )伪l 图3 5 矩形微带天线的曲流方法 表面电流被有效的弯曲，从而使固定尺寸的矩形贴片上电流路径的有效长 度大大的增加，天线的谐振频率会有显著下降。对于固定的频率，天线的 尺寸可以有效的得到缩小。 图( 3 5 b ) 是另一种矩形贴片电流的方法，从矩形天线的两条非辐射边上 切去一对三角形的槽，贴片中激励电流的路径同样得到了有效的处长。这 类似于一种蝶形微带天线，固定的谐振频率下，天线的尺寸比通常的矩形 微带天线有所缩小。 接地板开槽技术指的是通过在接地板上开槽实现电流路径改变的小 型化天线技术。在接地板上开槽同样可以达到改变电流路径的效果。保持 天线贴片的形状不变，在地板上开槽，可以引导贴片中的电流发生弯曲， 从而增加电流路径的有效长度，降低谐振频率。同时，由于接地板开槽造 成了微带天线q 值的降低，天线的带宽也会有所增加。 文中采用了在矩形贴片的非辐射边开槽的方法，达到了很好的效果。 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 擞黪母 图3 - 6 一点馈电矩形圆极化微带天线 ( a ) 矩形微带天线坐标位置 ( b ) 附加简并分离单元矩形圆极化徽带天线 a 型：s = w l ，s = s 1 + 8 2 ； b 型：s = w l ，s = l c 现在以a 型为例说明简并分离单元血对矩形微带天线的影响。 由图3 石可见，当矿= 三= 口时 磁流分布的周边为z = 詈和 y = 昙，相应于e 的基模标量特征函数为： 篆篙铆 p ， l o = s i n 七，y v 。1 式中y o = 厄 a ，k l = k 。= 筇f 口。 当矩形微带天线附加分离如单元以后，波数t 或t ，就不同了。下面 定量地分析它们的变化。 由腔模理论可知，矩形微带天线可看成一个等效的开路边界的腔体， 方程 v 2 + 磕缈。= o 缒：o ( 3 2 ) 仅在离数i 。时才存在不为零的解，每一个j i 。对应一个特征函数。把式( 3 。2 ) 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 两边乘以特征函数的共轭值二，然后在腔体体积上积分。考虑到腔体高 度 上积分与坐标x ，y 无关，并应用格林第一恒等式则有： p 二n v 2 。+ k _ i y 。i2 卜。 = 妒。等叫肌。阻+ k ：胍。阻 3 。 由式( 3 - 2 ) 的第二式可知，在矩形微带天线周界c 上积分为零，式( 3 3 ) 经过整理得到： 。器 睁a ， 显然，k 。是零或正数。式( 3 - 4 ) 为t 。的变分公式。因此，根据瑞利一 一里兹法可求矩形微带天线附加血后的模的波数七。( 特征值) 。 设矩形微带天线只激励基模，在附加分离单元血后，可令新的特征函 数为y ，相应的波数( 特征值) 为k i ，则可设 = p 1 + q o( 3 5 ) 把式( 3 5 ) 代入式( 3 - 4 ) 得出： 妒= 船器 ， 式中s = s + s t + s ，。 k 。：史! 坚竺! 兰! ! ! ：竺：竺! 竺! v 妒。) 2 出“ f ( p - + q ) 2 出+ e 鬲再瓦而- 式中s = s i + s 2 。现在令 ( 3 - 7 ) 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 伍( v ) 2 出确 珏) 2 出= q ： 黔磐a p 。， 珏川2 出= p ： 腿出= 值v v 出2 把式( 3 - 8 ) 代入( 3 7 ) ，则式( 3 - 7 ) 可简写成 妒= 嬲 ( 3 - 9 ) 对上式分别求关于尸和q 的导数。得到两个关于p ，q 的次代数齐 次方程，如果，q 有解必有 d e t j 凳翼：譬寰竺| 筹2 = 。 c s 邶， j 9 1 2 一七“p 1 2 ，女盖+ 9 2 一七“( 1 + p 2 】。 。7 对图3 6 ( b ) a 型天线计算结果为： g i = 9 2 = 9 1 2 = o a = p 2 = 2 ( 盐s ) ( 3 1 1 ) p 1 2 = - 2 ( 血s ) 把式( 3 1 1 ) 代入式( 3 1 0 ) ，对一次近似而言， 碥= 碓( 1 4 如s ) 碥= 磕= 2 。1 2 由特征函数的正交性可知 抄y w = 肿+ q ) 2 出。= l 由上式得到 p 2 + 0 2 = 1 ! ! 室奎璺查兰堡主兰堡丝苎竺翌兰望塑翌塑墅堑墅墅! 些兰笠 线性无关的解有 p = g = l 2 f 3 1 3 、 p ：一q = 1 压 于是得到附加分离单元后的特征函数为： y ：= 。一。) 2 = ( s i i l ，x s i n 七0 l y ) 2 ( 3 1 4 1 妒：= 够0 1 + 矿。) 2 = k ( s m 。x + s i n i 。y ) 2 上面的分析说明在矩形微带天线上附加分离单元血后，产生两个特征 模，它们相应的特征函数和波数( 特征值) 如式( 3 一1 4 ) 和式( 3 - 1 2 ) 。两个特 征模对应的谐振频率分别为： f ：= f 。+ 弩：= j 。r 毽一2 酞 s 1 z + 酬而：去 3 j 5 3 2 2 2 两分离模的等效电路及其等效参量 由腔模理论，微带天线任意激励模可等效为一谐振回路，两分离模的 等效电路如图3 7 所示。其等效参量如下： 疋= 氏，+ 酵：；战i 凡r = - 2 缸i s 矗= ，+ 颤；酬厶，= o 弘石，形( s 蝣x ) 一s 彤y ) ) m = 以，矽( s 参x ) + s m ( 参y o ：q 。】_ ：j 。1 l h = 、| ：c q 北京交通大学硕士学位论文 r n d 系统中的微带天线优化设计 3 3 抑制表面波的小型圆极化优化设计 3 3 1p b g 结构的设计 p b g o t o i l i cb a n d g a p ) 结构的设计可按等效电路模型设计州，单元 等效l c 参数由式( 3 2 3 ) 、( 3 - 2 4 ) 给出，带隙中心频率由式( 6 4 ) 给出： 三= 风( 3 2 3 ) c ：坐! 坐生c 0 s h 。( 三! 兰曼)( 3 2 4 ) 刀 g 式中，为正方形单元的边长，g 为单元之间的带隙宽度，矗为基板厚度。 图3 8p b g 结示意图 s ，为微带基板的介电常数。p b g 结构示意图如图3 8 所示。 依据上述理论，选择介质基板的相对介电常数占，= 1 6 ， = 2 埘所，面 积2 0 2 0 m 研2 ，宽度w = 3 2 m ，短路孔直径d = 1 m m ，周期单元间的距离 g = o 5 珊珊设计了p b g 结构，并对设计出的p b g 结构，用a l l s o f ih f s s 仿 真了其传输特性，仿真结果如图3 9 所示。由图3 9 可见，在1 3 g h z 频率范 围内，表面波的衰减很大，几乎不能传输，放该结构有明显的阻带效应。 北京交通大学硕士学位论文 r h d 系统中的微带天线优化设计 槽的长度和宽度，这是非常简单易行的。 图3 1 3 给出了天线输入端反射系数随贴片边槽槽长工，的变化情况。可 以看出，边槽槽长，增大，天线的谐振频率降低。图3 - 1 4 给出了天线输入 图3 1 3 反射系确随k 的变化 端反射系数随贴片边槽槽宽畎变化的情况，可以看出边槽槽长的变化 和工，的变化具有类似的变化规律，巩增大，天线的谐振频率也降低，因此 可以通过调节贴片边槽的长度和宽度来调节天线的谐振频率，使天线工作 于我们需要的频段。 f 幢掣眦y 【g l 图3 - 1 4 反射系弼随w 。的变化 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 3 3 4 抑制表面波的设计 通常的方法是把p b g 结构加在贴片的周围的，如果这样，依据p b g 理 论分析可知【l 州，可以使天线的方向图的后瓣减小，增大前后比增益，但是 贴片的几何尺寸会变大，达不到小型化的目的，为此，文中尝试采用了悬 置p b g 结构，如图3 1 5 所示。由理论分析可知【1 1 】，这样的设计是不能完全 抑制天线侧面辐射的表面波的，所以方向图的前后比不能达到最佳值。 为了进一步提高天线方向图的前后辐射比，采用了在p b g 周边加锯齿 的方法 12 】。即在( 2 0 2 0 m m 2 ) 的p b g 结构四周各边上各剪5 个高度为3 i 砌的 均匀锯齿，其天线实物照片如图3 一1 6 所示。 图3 一1 5 贴片背后附加p b g 结构微带天线示意图 图3 一1 6 微带贴片背后附加p b g 结构背面实物照片 3 4 仿真验证 用远场测量【1 如的方法对微带贴片背后附加p b g 结构的微带天线 ( 占，= 1 6 ) 方向图进行了测量，天线尺寸为2 0 2 0 埘m 2 ，天线厚度4 m m ，测 北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 试频率为2 4 0 h z ，其测量结果如图3 1 7 所示。 。震蒸 一蹩娑 嚣赋h 西 图3 一1 7 背后附加p b g 结构微带天线的实测方向图 。褫飘 。糕戮2 二碾蒸 一蹩戮 酬劳疑筒 图3 一1 8 常规微带天线的实测方向图 为了证明该方法的有效性，又测量了常规单点馈电圆极化微带天线 ( s ，= 1 6 ) ，天线尺寸为2 0 2 0 m 肌2 ，天线厚度2 m m ，测试频率为2 4 g h z ， 其测量结果如图3 1 8 所示。 比较图3 一1 7 、图3 一1 8 的方向图测量结果，可以看出，背后附加p b g 结构的微带天线的方向图有了明显的改善，方向图的前后比已达到了 1 7 d b 。在接地板为2 0 2 0 m 小2 的尺寸不变的条件下，该设计方法与常规微 北京交通大学硕士学位论文r f i d 系统中的微带天线优化设计 带贴片( 同样尺寸) 相比，前后比改善了1 4 d b ，而且增益改善了3 d b 。 在微带天线贴片厚度小于波长的情况下，其辐射效率是随频率和厚度 的增加而增大的。文中设计的天线频率较高为2 4 g h z ，厚度为2 m m ，辐射 效率大于8 0 。 4 8 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 线设计中是很重要的。 微带贴片天线宽度w 受工作频率和介质基板的影响，在安装尺寸允许 的条件下宽度取得适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，它直接影响 着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也就影响着频带宽 度和辐射效率，但当w 尺寸大于下式给出的值时将产生高次模，从而引起 场的畸变： 形= 方( 孚 一 ， 2 ，l2 、 。 式中c 是光速，f 是谐振频率。在天线设计时应该考虑该限制。 矩形微带天线的长度l 在理论上取五。2 ，但实际上由于边缘场的影 响，在设计l 的尺寸时应从且。，2 减去2 工。l 的计算公式为： 三= o 5 以一2 上 ( 4 2 ) 或 k 赤2 址 ( 4 3 ) 2 ，) 巳 、 式中 砧= 厶) t ( 4 4 ) 啦m 芒燃姑裂 件s ， 忙。一o 2 5 8 天w 厅+ o 8 ) 、 铲孚+ 字( + 翻 天线的频带往往以输入端电压驻波系统( v s w r ) 值小于给定值的频 带范围b w 表示，若v s w r 给定值s ，则v s w r s 的b w 为： 北京交通大学硕士学位论文 r f i d 系统中的微带天线优化设计 肼。器 汁7 ， 其中9 的近似表达式为： 绋：蒹 p s ， 根据以上公式，分别对工作频率为9 1 5 m h z 和2 4 g h z 的计算结果如表4 一l 所示： 表4 19 1 5 i 缸l z 和2 4 g h z 的设计结果比较 长度l宽度w频带