&&&&&&&&&&&&& 2.45GHzRFID阅读器微带天线设计
董湘麟 &（苏州中科集成电路设计中心 215021）
阅读器天线的设计涉及到辐射射特性，天线方向图，阻抗特性，S参数，增益，极化方向和工作带宽等诸多要素，加上必需反覆不断的进行成品修正。特性量测时还需提供特定电磁环境的电波暗室专用设备，因此天线工程师都将天线设计视为黑色艺术(black&art)。由于Ansoft公司的电磁场仿真分析技术相当进步， Ansoft Designer对天线设计人员来说,他们不仅可以仿真并优化天线的近场和远场方向图,而且可以非常容易地进行匹配电路的设计以改进天线的性能,尤其是电磁场模拟分析经过整合后，已经可以分析print pattern构成的天线特性(基板型天线)。本文介绍如何利用Ansoft Designer V2模拟分析，探讨RFID阅读器天线的设计技巧。
关键词：矩形贴片天线，网格剖分，S11，仿真，Designer V2，
1 阅读器天线设计
1.1微带天线的应用
目前，已经研制成各种类型的平面结构印刷天线，例如微带天线、带线缝隙天线、背腔印刷天线以及印制偶极子天线等，各种类型的平面印制天线性能比较如表1.1所示：
到目前为止，微带天线在100MHz~100GHz的宽频带上获得了大量成功应用。
1.2 2.45GHz RFID阅读器天线结构
2.45GHz RFID微带天线采用矩形辐射器的并馈二单元贴片驻波阵，以期获得较尖锐的方向图和高的方向系数。二单元微带贴片天线的设计方案如图1所示。贴片天线的馈电采用偏心馈电方式，馈电的位置确定直接影响天线的辐射特性。如果天线的几何图形只维持主模，微带馈线偏向一边可以得到较好的匹配。采用偏馈时，虽然容易控制输入阻抗，其谐振电阻在140&O左右，为使与馈线相匹配，必须要加阻抗变换器。该阻抗变换器是切比雪夫阻抗变换器，L1的阻抗为100&O，L2的阻抗为71&O,W50为50&O微带馈线。为了使各贴片单元获得有效的辐射，当天线阵谐振在2.45GHz时，矩形贴片单元之间的间距d=1/2&。微带天线的单元既可以单独成为天线，亦可以作为阵列天线的一部分而与其它的相同单元组合使用。无论哪种情况，设计工程师均应掌握单元设计。
1.3介质板材料的选择
设计微带天线首先要选取介质板，它不仅影响天线的尺寸、体积和重量，还影响天线的方向性、效率等。薄金属覆层能使天线便于制作，易达到公差要求，但较厚的金属覆层容易焊接。矩形微带天线的面方向图宽度与两辐射边间距有关，对于相同的工作频率采用不同的介质板对应的值也不同，所以面的波束宽度也就不同。如表1所示。
1.3.1矩形贴片天线单元宽度W的确定
贴片的宽度影响着天线的方向性函数、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。在安装尺寸允许的情况下，应取的适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但如果大于下式的值，就会产生高次模，从而引起场的畸变：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （1.1）
式中是光速，为介质基板厚度，为介质板相对介电常数，为天线工作频率。
1.3.2矩形贴片天线单元长度L的确定
矩形微带天线通常都工作于模（或模），贴片长度理论上应该取，但是实际上由于边缘场的影响，在确定&尺寸时应从减去。于是得到此时的天线长度：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （1.2）
其中，是等效介电常数，是考虑边缘效应引入的线伸长，分别由下式给出：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&（1.3）&&&&&&&&&&&&&&& （1.4）
2 用Ansoft Designer V2设计RFID天线
Ansoft公司的电磁场仿真分析技术相当进步，Ansoft DesignerV2实现了&所见即所得&的自动化版图功能，版图与原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。Ansoft DesignerV2与HFSS，Agilent的ADS相比较，Ansoft DesignerV2采用2.5维的仿真方法，比3维立体仿真更省时，省力。
2.1 设置天线介质板参数
&& &Edit Layers 编辑层
在材料编辑窗口设置天线介质板参数:天线介质板选FR-4。介质板厚度H=1.6mm, 信号层铜箔厚度T=0.018mm, 介电常数&r= 4.35，损耗正切 tan&=0.014 。如图2所示：
2. 2 利用Ansoft Designer V2估算工具确定单元贴片的W，L，
Ansoft Designer V2估算工具Estimate 给天线设计工程师提供了一个非常人性化的窗口，它可以简化1.22，1.23繁琐的运算，当你输入矩形贴片天线单元的中心频率f0,希望达到的VSWR，输入阻抗Z50,和天线单元的L就可以得到W，天线带宽，天线效率等等参数。
&& Ansoft Designer V2估算工具Estimate还提供RF 工程师在射频电路设计中微带线阻抗估算，1/4&微带线的级间匹配和负载匹配估算，微带线损耗的估算。Ansoft Designer V2估算窗口如图3所示：
实践证明利用Ansoft Designer V2估算工具确定单元贴片的W，L，为天线版图设计提供了一个比较准确的，实用的贴片单元模型。它能够缩短产品研发周期。当然，Ansoft Designer V2估算工具的用法是多样的，是微波，RF设计工程师常用工具。
2. 3 利用Ansoft Designer V2创建物理结构图形
&1. 用Ansoft Designer V2估算工具确定单元贴片的W，L参数，打开Draw菜单，点击Primitive项，点击画矩形图标.在右下方输入起始坐标点坐标位置X：0，Y：0，&Tab。
2.输入贴片天线的长度L，宽度W。确定贴片阵元的距离d,输入偏移量。
3.绘制微带线。
4.设置port (probel)
2. 4 Ansoft Designer V2的网格剖分
Asoft公司在1990年发布了基于有限元算法（FEM）仿真复杂结构电磁场的通用软件HFSS。其基本思想是将求解空间划分为有限的众多区域，用局部函数表示每个子区域的场。而每个子区域的场通过网格节点相关联，整个场区域由子区域节点组成网络，通过一定的激励和约束条件（电磁场满足Maxwell方程组）求解网格上的场分布，从而得到问题的全解。Asoft公司在esemble的基础上将sernade(系统仿真软件)结合起来，这就是现在的Designer 。与HFSS相比较，由于MOM算法的特点，Designer 特别适合微带天线的这种叠层平面结构。
平面三角元在高频方法和低频方法中都有非常重要的地位。该方法是将目标面近似地采用小的平面三角形依次拼接而成，是一种非常有用的模型表示方法。由于采用三角形的近似曲面该方法的精度不够高，计算结果由于网格的设置不当甚至结果不能收敛，一般使用默认。
初始计算一般使用自动划分网格（Adaptive Meshing ）自动生成网格；用麦克斯韦程组可以获得场解；完善网格基于误差分析每个四面体的领域。
当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件自动划分比较省心。
如下图4所示利用Ansoft Designer V2建立的并馈二单元天线的模型和网格剖分。
2. 5 电磁计算：
&微带天线分析的基本问题是，求解天线周围空间建立的电磁场；求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输人阻抗等特性指标，另外，微带天线的馈电，对天线的性能有至关重要的作用。馈线的长度和宽度直接影响着天线的谐振频率；馈电点的位置决定着天线边沿上的电流幅度、相位分布以及谐振频率。因此，对馈电方式的选择是设计成功与否的关键因素。在本设计中采用微带线馈电。
在电磁计算之前一定要用Validation Check检查电磁参数是否设置正确。如果有一项设置不当，都无法进行仿真。
Validation Check检查如图5所示。
Ansoft Designer V2对电磁场的仿真有很高的准确性，所得到的数据对于我们设计实际电路有重要的指导意义。
3 仿真及实测结果
&&图6是经微带线匹配补赏的天线Smith圆图。天线在2.45GHz 处谐振，天线的S11在2.4GHz-2.5GHz频段呈现的轨迹通过原点，在2.45GHz时VSWR为1.018。
图7为并馈二单元天线的VSWR仿真曲线，图8为并馈二单元天线的VSWR实测频响曲线。仿真结果与实际测试结果比较，基本吻合。
贴片天线的边缘电场可以分解成垂直分量和切向分量，其两个垂直分量在远区辐射场互相抵消。而在切向分量是同相的，其远区辐射场互相加强。因而在无限大接地平面的情况下，矩形贴片天线的最大辐射场垂直于微带天线平面。如图10所示。
接近天线的区域为近场或菲涅耳（Fresnel）区,离天线较远的称为远场或夫琅和费（Fraunhofer）区。图11为天线的3D远场辐射仿真图。
该天线在2.45GHz频率处的增益 Gain=4.88db。
Ansoft Designer v2将系统,电路和电磁场仿真工具无缝的集成到一起,为天线设计带来了极大方便。例如,对天线设计人员来说,他们不仅可以仿真并优化天线的近场和远场方向图,而且可以非常容易地进行匹配电路的设计以改进天线的性能,并可以研究它对系统性能的影响。
以S11为目标利用仿真优化器来求所需传输线长度的方法，是一种省时省力有效的方法。
也就是说,在 Ansoft Designer v2中,设计人员不必象以往一样被迫把部件作为一个独立的部分进行设计与仿真,实现各部件的最佳匹配,进一步提高系统性能。
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京ICP证:070212号
北京市公安局备案编号： 京ICP备：号基于分形超材料吸波体的微带天线设计
1引言2008年,Landy等人[1]提出一种超薄、结构简单、吸波率接近100%的超材料吸波体,并通过实验验证了其良好的吸波效果,引起了研究人员的极大兴趣并积极开展研究,其电磁特性也不断得到改善,如提高入射角稳定性[2-3]、极化稳定性[4-5]、增加吸波频带(双带/多带)[6-7]、扩展吸波频带带宽[8-9]等。这类吸波体的工作机理是通过优化设计超材料的吸波模型,调控超材料单元的电谐振和磁谐振,使ε(ω)=··*μ(ω),实现吸波材料与自由空间的阻抗匹配,降低入射波的反射率,并利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的强烈吸收。这一机理使其克服了衍射效应给传统吸波材料带来的厚度限制,达到了吸波材料轻薄的设计要求。与文献[10]提出的基于超材料的吸波材料相比,这类材料的另一显著优点在于不需加载集总电阻作为损耗层就可实现接近100%的吸波率,这使得其应用前景十分广阔。吸波体最重要的应用方向之一就是目标隐身,但已有文献都仅分析了...&
(本文共6页)
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0引言雷达吸波材料是有效吸收人射电磁波，显著降低目标回波强度的一类功能材料，可以大幅降低目标的雷达散射截面(Radar Cross Seetion，RCS)，从而提高其隐身性能。传统的雷达吸波材料存在厚、重、稳定性差等缺点，其应用受到限制。因此，寻求和设计出具有高吸波率、厚度薄、质量轻、稳定性好的吸波材料一直是材料学研究的重点。2002年，文献仁1〕首次提出由超材料(Metamaterial，MTM)设计超薄吸波材料的思想，并用含损耗的频率选择表面(Frequeney seleetive sur-face，FSS)加以实现，但设计方法繁琐，很难推广应用。随后，文献「2〕提出利用MTM的同向反射特性，通过在材料表面加载集总电阻实现超波吸波结构，但是由于加工工艺复杂，不利于实际应用。2008年，文献【3]基于MTM电磁祸合谐振特性，首次提出由电谐振、损料型介质和金属微带线构成的具有“完美”吸波特性的吸波体，与传统吸波材料相比，它具有...&
(本文共4页)
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0引言雷达吸波材料是有效吸收入射电磁波,显著降低目标回波强度的一类功能材料,可以大幅降低目标的雷达散射截面(RCS),从而提高其隐身性能。传统的雷达吸波材料存在厚、重、稳定性差等缺点,其应用受到限制。因此,寻求和设计吸波率高、厚度薄、质量轻、稳定性好的吸波材料一直是材料学研究的重点。2002年,文献[1]首次提出由超材料(MTM)设计超薄吸波材料的思想,并用含损耗的频率选择表面(FSS)加以实现,但设计方法繁琐,很难推广应用。随后,文献[2]提出利用MTM的同向反射特性,通过在材料表面加载集总电阻实现超薄吸波结构,但是由于加工工艺复杂,不利于实际应用。2008年,文献[3]基于MTM电磁耦合谐振特性,首次提出由电谐振、损耗型介质和金属微带线构成的具有“完美”吸波特性的吸波体,与传统吸波材料相比,它具有结构简单、超薄、超轻、无表面损耗层、吸波率高的特点。因此,这种吸波材料一经提出就引起了科研人员广泛关注并展开研究。一些极化不敏感[...&
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超材料(Metamaterials)是一种具有特殊物理性质的人工复合结构,近年来在微波天线领域得到了广泛的应用。微带天线由于质量轻、体积小、易集成等优点,一直是研究的热门课题。将超材料结构加载在微带天线结构上,可以根据设计的超材料的性质来实现不同的功能,如:实现天线的小型化、多频段、高增益和超宽带等。本论文主要研究的是利用超材料实现微带天线的多频段。主要包括以下几点:第一,对微带天线和超材料的研究意义和研究现状进行了详细说明,重点介绍了微带天线的基本理论和超材料结构单元的相对磁导率、相对介电常数的提取方法。第二,根据微带天线的理论知识,设计了两款工作在1.268GHz和1.575GHz频段的单频天线;并且设计了一款具有磁负特性的双重开口谐振环(DSRR)超材料结构单元,对1.575GHz的单频天线加载此结构单元,可以使天线工作在1.268GHz和1.575GHz。两款单频天线均加工了实物并且进行了测量和调试。第三,设计了两款多频...&
(本文共70页)
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近几年来利用超材料实现对电磁波的高吸收受到广泛关注[1-2].Landy于2008年提出了基于单个电环谐振器和短导线组合而成的超材料吸波体,Hu Tao设计了入射波角度可调的超材料吸波体[3-4].除此之外,Landy课题组在极化不敏感和太赫兹波段超材料吸波体研究方面取得了可喜的成就[5].此后,超材料吸波体的设计从微波波段[6-10]进一步拓展到太赫兹频段[11-13]以及红外波段[14-18]和光波段[19-21].基于人工结构的超材料吸波体成功地突破了Terahertz“禁带”,为超材料吸波体在医学,生物,军事以及热成像仪等领域和设备上的应用提供了广阔的前景[22].目前设计的超材料吸波体吸收频带较窄,这极大限制了超材料吸波体在实际中的应用,实现宽带吸收是超材料吸波体研究面临的主要问题之一.基于此本文设计了鱼刺状宽带超材料吸波体,可以在较宽的频率范围内实现电磁波的高吸收,在89.68~94.36 GHz之间吸收率保持在90...&
(本文共5页)
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1引言电磁波超材料由于表现出非常奇妙的电磁效应而成为物理学和材料学等领域研究的热点[1,2]。大多数研究者的工作主要集中在实现介电常数和磁导率的实部,同时为负[3,4](负折射率材料),或者构建渐变电磁参数以实现隐形斗篷[5]等方面的应用。电磁超材料能根据需要进行阻抗调节,而这对于普通材料来说是难以实现的。这些奇妙性质的产生是在外部电磁波的激励下,电磁超材料产生独立可调节的电谐振和磁谐振引起的。电磁超材料为人们按照自己的意志调控电磁波提供了一个广阔的空间。例如:通过在传统吸波材料表面覆盖一层超材料结构,不仅可以增强和调节传统吸波材料的吸波性能,而且可以改善极化对传统吸波材料吸波性能的影响[6]。再者,极化作为电磁波的一个重要性质,利用超材料来实现对电磁波极化的控制,也被研究者实现[7]。鉴于超材料所表现出的奇妙性质,利用超材料来实现对电磁波的高吸收,近年来也受到广泛关注。从理论上讲,通过对特殊模型结构的优化设计,可以使吸波体与自...&
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