无线射频读写器天线系统设计.docVIP

青岛科技大学本科毕业设计（论文）1 绪论1.1天线的发展历史英国物理学家麦克斯韦预言电磁波的存在，1887年德国物理学家赫兹为了验证电磁波的存在设计了第一个天线。1891年意大利科学家马可尼制作了可以在数百米内通信的天线，真正实现天线的无线信号传输，天线开始走出实验室，之后在他主导下架设了横跨大西洋的远距离天线通信。这时天线的雏形开始出现。这一时期由于天线的工作频率不是很高，而且在地面的衰减又很大，为了实现远距离通信，往往天线的尺寸做的都是很大，几米至上百米。后来人们发现短波在地面衰减比较小可以实现远距离通信，同时肯内里和亥维赛发现电离层对短波的反射可以实现远距离通信，开辟了天线的短波通信领域。这时的天线的种类开始增多，偶极天线、八木天线等经典天线出现，并且天线的增益、带宽等性能大大提高。这时天线已经能广泛应用于广播通信，航海通信。再后来出现了面天线，特别在二战时期雷达的出现，大大促进微波技术和天线的发展，利用微波的反射、折射、投射和聚焦等，进一步极大提高天线的增益。利用雷达天线可以精准的锁定目标的位置。二战之后，各国科研都向太空进军，出现人造地球卫星，其中在卫星通信方面的天线增益可以高达几十万倍，电磁波向毫米波、亚毫米波甚至光波方向发展。上世纪六十年代计算机问世后，由计算机编程控制的天线阵出现并开始发展。近代天线的尺寸成为天线发展的难题，近几十年出现的微带天线成为天线研究的新领域，天线的尺寸缩小到厘米级，出现了各种各样的手持无线设备、读写器等。1.2天线的分类和用途天线按其工作波长主要分为：长波天线、中波天线，短波天线、超短波天线和微波天线 。主要依据其工作频率的划分。本论文设计的天线通信频率在433MHz左右，属于微波波段，设计的天线属于微波天线。选择在433MHz频段是因为在这个频段我国是免申请的，可以直接使用。天线按其工作性质可以分为发射天线和接收天线。发射天线就是能把传输线上的信号能量转换成电磁波辐射到自由空间的天线，比如像广播电视台的发射电视信号的发射塔：接收天线就是能接收空间电磁波并把它变成电信号的天线，比如像家用电视的信号天线就是接收电视台的电磁波信号。在通常情况下，发射天线可以做接收天线，接收天线也可以做发射天线，同一天线作为发射或接收的基本电参数是一样的，这就是天线的互易定律。本文设计的读写器天线主要是作为接收天线使用，但发射天线采用的是无源工作方式，所以发射天线的能量还要来自读写器天线辐射的电磁波能量。通常最常见的天线是按其工作原理和结构形式分类，主要分为线天线和面天线。线天线是指天线是由线状的金属棒或金属空腔组成。常见的有单极子天线，双极子偶天线，八木天线等。单极子天线长度一般是工作波长的二分之一或四分之一，是目前应用最广泛的天线，在通信、导航、遥感方面广泛使用。最常见的汽车上的车载天线就是这种单极子天线。八木天线从上世纪二十年代问世以来，因其有很高的方向性增益特点，方向性特别好，在以前的家用电视的接收天线经常看到八木天线的影子。面天线就是发射天线是由金属面构成，例如抛物面天线。喇叭天线等，主要利用电磁波在遇到金属物体表面时发生发射的特性，还有些利用电磁波的穿透性进行折射聚焦、散射等特性，来增强天线的方向性。射电望远镜就是一种面天线，通过面天线的反射聚焦可以发射高能量的电磁波束来探索宇宙深处，并能接收宇宙中微弱的电磁波。在生活中，我们通常家用的锅盖天线就能接收卫星转播电视台信号。在军事中的雷达就是一种抛物面天线。在面天线中还有一种天线微带天线，因其可以做的比较小，重量轻，而且可以和设计的电路板连接在同一个面板上，而得到广泛使用，在生活中的手机、电脑等手持移动设备，RFID电子标签，读写器等都有用到微带天线 。本论文设计的无线射频读写器就是采用的微带天线。1.3本文研究天线的应用本文设计的天线是射频读写器，该读写器是用在汽车胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring System ，TPMS）。汽车胎压监测系统是最近十年兴起的一种新技术，它的主要目的就是通过实时的监测汽车轮胎的压力情况，当轮胎压力出现异常情况时及时发出报警提示，防止汽车爆胎，提高汽车的安全性系数。在汽车胎压监测系统中，轮胎气压先通过轮胎内的声表面波压力传感器把气压信号转变成电信号，在经过微处理器处理把胎压信号传送到轮胎内的发射天线，发射天线经过电磁辐射，把载有胎压信号的电磁波辐射到空间去，辐射到空间的电磁波经由读写器内设计的微带天线捕获，把电磁波信号转变为电信号，经过中央处理器的分析处理显示在显示器上。工作流程图如图1-1所示。声表面波压力传感器发射天线读写器接收天线中央处理器胎压显示和提示报警电磁波图1-1 TPMS的工作流程图Fig.1-1 Work flow chart of TPMS汽车胎压监测系统分为有源TPMS和无源TPMS。他们是以在该系统中的胎压传感器有无电池工作来区分。本论文研究的系统中，采用无源TPMS。无源TPMS没有电源电池的约束，可以工作在更加恶劣的环境下，而且使用寿命也大大延长，不用担心电池电量带来的麻烦。但是没有了电源电池它的工作能量来自哪里？答案就是来自所设计的微带天线。本论文设计的读写器天线不仅仅是信号的接收天线，它还有另一个重要的作用就是给发射装置辐射足够的电磁波能量，保证其正常工作。因为天线是互易的，不仅可以接收电磁波也可以发射电磁波。1.4 HFSS简介本论文设计天线主要用到的软件是HFSSHigh Frequency Structure Simulator，是由Ansoft公司推出的三维结构电磁仿真软件。HFSS提供了简洁直观的设计窗口，类似Windows的友好界面，能计算出任意形状的S11参数和全波电磁场。HFSS拥有功能强大的处理器，能够计算出各种天线参数，如增益、方向性、远场方向图剖面、3D图和3dB宽带等 。HFSS现在有很多版本，最新的是Ansoft HFSS 15.0,不过目前最流行的还是Ansoft HFSS 13.0，本论文就是用13.0设计天线。2 天线基本理论2.1天线辐射基本原理天线向外辐射的实质是天线上的电流变化引起的空间电磁场的分布，组成天线的基本单元有电振子元和磁振子元，只要求出基本振子的辐射场，利用叠加原理就可以得出整个天线的辐射情况。2.1.1电基本振子辐射在一段载有均匀同相的时变电流元导线称为电流元，这就是最简单的一种天线，它具有的很多特性是任何其他的天线所共有的，所以研究电流的辐射特性是很有理论价值的，任何形状的天线都可以看成由许多首尾相连接的电流元组成，这些电流元是天线的基本单元，又称基本振子。电流元导线的直径d要远小于其长度l，而其长度要远小于波长和观察距离 。如图21（a）所示，电基本振子的中心位于球坐标系的原点处，dl沿z轴方向。利用矢量磁位A来求电基本振子的辐射场。图21 电基本振子的矢量图和辐射场Fig.2-1 Basic electronic oscillator radiation and field vector 将体电流元转化为线电流元： (2-1) (2-2)在球坐标中 ： (2-3)由电流产生的矢量磁位，再利用式（4-4）得到式（4-5）: (2-4) (2-5)再根据麦克斯韦第一方程得到式(2-6): (2-6)再把式（2-3）代入式（2-4）和式（2-5）就得到电基本振子的电磁场为式（2-7): (2-7)式中E为电场强度，单位V/m；H为磁场强度，单位A/m;下标r、表示球坐标中各个分量； 是自由空间的介电常数，单位F/m;是自由空间的磁导率，单位H/m; 是自由空间的波长。因此，电基本振子辐射场共有三个分量：两个电场分量和，一个磁场分量。如图2-1所示，每个分量的大小与观察点距离电流元的距离r有关系，下面将讨论在近区和远区的两种情况。(1) 当时，此区域称为近区，此时，约为1，把式（2-8）代入到式（2-7），就能近似得到式（2-9）。 （2-8） (2-9）从上式中，我们可以看出电场和磁场存在90度的相位差，所以坡印廷矢量的平均值，能量在电场与磁场之间相互交换，所以近场区没有电磁辐射，近场区也被称为感应场。（2）当时，此区域称为远区，此时，因此式(2-7)可以近似得到式（2-10）： (2-10)由上式可得，在远场区与近场区完全不同，在远场区只有两个相位相同的分量，其坡印廷矢量的平均值为： (2-11)由式（4-11）可以看出，在远场区能量沿r向外辐射，所以电基本振子在远场区是辐射场。2.1.2 磁基本振子辐射 在引入磁流、磁荷概念后，麦克斯韦方程可以如下的形式： (2-12)其中，、为磁流密度和磁荷密度。根据在线性媒质中，电磁场的叠加定理，电流、电荷和磁流、磁荷共同产生的电场E和磁场H可以分解为电流、电荷独自在媒质中产生的电场E和磁场H和磁流、磁荷独自在媒质中产生的电场E和磁场H的叠加，即总场为： (2-13)代入式（2-12），得到式（2-14）、式（2-15）： (2-14) (2-15)通过比较式(2-14)和式(2-15)，可以发现这两个方程是对偶方程，因此根据上面推倒的电基本振子辐射场，利用对偶定律，可以得出磁偶极子的辐射场，如式(2-16)所示。 (2-16)2.2 天线基本电参数天线的主要作用是作为能量转换器把高频电流能量转换成为能在空间传播的电磁波，天线的定向辐射能力强弱是衡量一个天线好坏的重要的参数。在天线设计过程中还要考虑其他的电参数，其中最多的有辐射方向图、增益、效率、谐振频率、反射系数、输入阻抗和驻波比，以及天线的极化特性 。2.2.1方向图与方向性系数天线的方向图是指在距离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随着方向变化的曲线图，通常采用天线最大辐射方向上的两个相互垂直的方向图表示。为了能对各种各样的天线方向图特性进行比较，规定了一些特性参数，这些参数有：主瓣宽度、旁瓣宽度、前后比以及方向性系数等 。虽然方向图在一定程度上反映天线的定向辐射情况，但是由于这些参数未能表示出辐射在整个空间的总效果，因此这些参数都不能单独表示天线集束的能力。为了能更加准确的比较不同天线的方向特性，定义了天线的方向性系数。天线的方向性系数为在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。通常以D表示，如式(2-17)所示 (相同) (2-17)2.2.2 效率与增益天线的效率定义为天线的辐射功率与输入功率之比，用符号表示，如式(2-18)所示： (2-18) 其中为辐射功率，为输入功率，为欧姆损耗，为辐射电阻，为损耗电阻。因此辐射电阻的高低是衡量天线辐射能力的一个重要指标，辐射电阻越大则天线辐射能力越强。当天线的尺寸很小时，因其辐射电阻小，则损耗电阻大，故天线的效率低。当天线的电尺寸和波长相比拟时，辐射电阻较大即损耗电阻较小，天线的效率高。因此在实际中很多天线都选择四分之一波长。 增益是指当在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的无方向性天线在空间相同点所产生的信号功率密度之比。通常用G表示，如式(2-19)所示： (相同) (2-19)它定量描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度，是用来衡量一个特定的方向收发信号的能力。因此显然，天线的增益与方向图密切相关，方向图主瓣越窄旁瓣越小则它的增益越高。天线的增益与方向性系数两个物理量的关系：G=D。2.2.3 输入阻抗与回波损耗天线的输入阻抗是指在天线馈电端的输入电压与输入电流之比。天线与馈线相连接的最佳形式是天线的输入阻抗为纯电阻而且等于馈线的特性阻抗，这样在馈线的终端就没有功率的反射和在馈线上的驻波，天线的输入阻抗随着频率变化也平缓。所以天线匹配的主要目的就是消除天线输入阻抗中的电抗分量和使电阻分量尽可能的等于馈线的特性阻抗。通常天线的输入阻抗设为50欧姆。天线匹配的好坏通常用反射系数、回波损耗、驻波比和行波系数这几个参量描述 。这几个参量之间有一定的数值关系，一般用一个表示即可，本论文主要分析天线的回波损耗。反射系数是指天线的输入端的输入电压与反射电压之比，一般用表示，如式(2-20)： (2-20)其中是输入阻抗，是特性阻抗。实际工程中最常用的是回波损耗，用表示，是反射系数的dB倍数，如式(2-21)： (2-21)电压驻波比(VSWR)是指波腹电压与波节电压之比，与反射系数的关系如式(2-22)： (2-22)行波系数是驻波比的倒数。2.2.4极化特性天线的极化特性就是指天线在最大辐射方向上的电磁波极化，即电磁波在其传播过程中电场分量相对于地面的方向，所反映的是时变电场矢量的幅度大小和方向随着电磁波传播方向的变化情况。依据电场矢量端点运动轨迹可以将天线分成线极化、圆极化、椭圆极化三种极化形式。线极化分为垂直极化和水平极化。顾名思义，垂直极化就是以地面为参考系它的电场方向垂直于地面，这样的电磁波我们称为垂直极化波：水平极化就是它的电场方向与地面平行，这样的电磁波称为水平极化波。我们都知道大地可以导电，所以当水平极化波信号沿着地面传播时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受到大地的阻抗影响产生热从而使信号迅速的衰减，但是垂直极化波就不会在大地表面产生感应电流，也就可以避免了传输信号的衰减，所以在地表面传输信号一般都不能用水平极化波。圆极化波可以分解为两个方向正交且幅度相等的同频线极化波组成。圆极化波可以分为左旋极化波和右旋极化波。左旋极化就是电场端点运动轨迹反时针方向旋转，同理右旋极化波沿顺时针方向旋转。对于椭圆极化来说，线极化和圆极化都是椭圆极化的特例，任意一个椭圆极化都可分解为两正交的线极化或者两正交的圆极化。由于发射天线也可以当做接收天线，天线是互易的，所以在天线设计过程接收天线的极化特性要与发射天线的极化特性相同，这样才能保证发射天线辐射的电磁波信号在接收天线处接收到信号。3 微带天线3.1微带天线基本原理3.1.1微带天线结构微带天线就是一个厚度远小于工作波长的介质薄板，在其一面敷以金属辐射片，一面全部敷以金属薄层作为接地板。基本结构如图3-1所示，由贴片、介质基板和接地板组成辐射贴片形状除了如图所示的矩形外，还有环形贴片、圆形贴片和三角形贴片等任意形状介质基板一般采用介电常数适中和介质损耗较低的材料，既可以增强产生辐射的边缘场也能提高带宽和增益。图 3-1 微带天线基本结构Fig.3-1 basic structure of micro strip antenna 3.1.2微带天线辐射原理对于任何形状的辐射贴片，它的工作原理都是一样的。理论上可以采用传输线模型来分析其性能，可以将辐射贴片、介质基板和接地板近似的看成是一段开路的微带传输线。在沿着微带传输线传输的时变电流由于在其终端不连续而产生辐射 。如图3-2所示的长为L，宽为W，厚度为h(h)的矩形微带天线。矩形微带天线的长度L约为半个工作波长，电磁波在矩形微带天线内以驻波形式存在，在W边形成波腹，由于介质基板的厚度h，故电场沿h方向基本没有变化，则天线工作在TM10模式。那么接地板和辐射贴片内的电场分布可以近似表示为： (3-1)微带天线的辐射主要集中在贴片与接地板之间的四个窄缝隙产生。用面磁流来等效窄缝隙产生的辐射。等效的面磁流密度为： (3-2) (a)L边磁流分布 (b)W边的磁流分布图3-2 微带天线的等效磁流分布Fig.3-2 Equivalent magnetic current distribution in micro strip antenna可以从图(3-2a)所示的L边磁流分布看出，在两个L边的磁流分布是相同的但每一边磁流分布是反向对称，相互抵消，所以在L边上的电磁辐射可以忽略不计。从图(3-2b)所示的W边的磁流分布，其分布正好与L边分布相反 同相分布，所以W的辐射场会同相叠加，形成最大值。3.2微带天线的小型化技术微带天线的发展方向就是趋于小型化，小型化是微带天线的关键技术，但是在理论上天线的工作频率与天线的尺寸成反比，也就是说频率的降低是以尺寸的增加为代价。目前实现天线的小型化的主要方法有：提高介质基板的介电常数、曲流技术、短路加载技术、附加有源网络、应用电磁带隙结构和用左手介质。本论文天线的设计主要采用了曲流技术和短路加载技术，而介质基板选用FR-4环氧树脂。本论文主要介绍曲流技术和短路加载技术。3.2.1曲流技术所谓的曲流技术就是平常说的表面开槽技术，实质就是通过弯曲而增加天线的有效长度，实现天线的小型化。表面开槽分为在贴片表面开槽和在接地板表面开槽。3.2.1.1贴片表面开槽如下图3-3所示的贴片表面开槽后的电流分布情况，我们可以看出在开槽弯曲处电流也发生弯曲，从而增加了电流路径的有效长度，也就是增加了天线的长度。这样就能在不改变天线尺寸的情况下降低了天线的谐振频率 。图 3-3 表面开槽后的贴片电流分布Fig.3-3 Patch surface current distribution after notching但是贴片表面开槽后它的辐射面积就减小了，使的天线的增益降低，这就要求贴片表面开槽的宽度不宜太宽。这种方法是以牺牲天线的增益为代价。3.2.1.2接地板开槽如下图3-4所示的在接地板开槽后的贴片电流的变化情况，我们可以直观的看出虽然天线的辐射贴片形状没有发生改变，但是在接地板开槽后辐射贴片的电流受到接地板表面电流的影响也发生了弯曲。这就起到增加天的有效长度而降低谐振频率的作用，达到天线小型化的目的 。接地板开槽后，天线的品质因素Q值会降低，这样可以增加天线的带宽，同时还能增加天线的增益。 (a)接地板开槽前电流分布情况 (b)接地板开槽后电流分布情况图3-4 接地板开槽后前电流分布情况Fig.3-4 After receiving the floor before slotting the Current Distribution3.2.2短路加载技术基本矩形微带天线的长度L为工作波长的二分之一，矩形贴片上的电流程驻波分布，那么在两个开路段之间一定有一个零电位线。我们如果在这零电位线处把其接地，就可以将天线另一半舍去，在开路与短路之形成驻波分布。通过这种方法天线的尺寸缩短了一半，实现了小型化的目的 。短路加载的方法包括短路面加载、短路片加载和短路探针加载，分别如下图3-5、图3-6、图3-7所示。短路加载的效果取决于短路加载的数量，每个短路加载的面积以及天线的高度。图3-5 短路面加载Fig.3-5 Short road loading图3-6 短路片加载Fig.3-6 Short bar loading图3-7 短路探针加载Fig.3-7 Loading a shorting4无线射频读写器天线设计本论文主要设计在TPMS系统中射频读写器的天线设计。读写器与轮胎内的发射装置之间的通信频率设定在433MHz左右。由前面介绍的理论知识可以知道，天线的长度与工作频率成反比，与其波长成正比。433MHz的频率波长在69cm左右，就算是四分之一波长的单极线天线的长度也要在17cm多，这样的射频读写器放在汽车驾驶室内是很占空间的。所以本着汽车设计的舒适美观的考虑，本论文设计的读写器天线采用微带天线的设计方法，把天线缩小到卡片级，尽量减小天线所占的空间。4.1读写器天线结构 图4-1 读写器天线结构Fig.4-1 Reader antenna structure如上图4-1所示的读写器天线的结构示意图，采用了倒F结构的天线，在图中标注出了短路片的位置和馈电点的位置以及贴片天线的形状。本设计主要采用曲流技术和短路片加载技术使设计的433MHz频率的天线尺寸缩小到25mm40mm,介质基板为FR4环氧树脂，介电常数为4.4，厚度1.8mm。具体的相关尺寸如下表4-1所示。表4-1 读写器微带天线的参数值Tab.4-1 Reader micro strip antenna parameters参数尺寸/mm参数尺寸/mma4i8.5b2j2.55c0.5k7d3.5m12.5e8.5n1f11O2g33P1.45h8.2Q1.34.2天线的设计过程4.2.1辐射贴片的形状(1)参数m(即锯齿高度)对天线性能的影响通过HFSS软件对m的仿真分析，当m=13.7,13.8,13.9(其他参数不变的情况下),对天线性能的影响，如下表4-2所示。表4-2 参数m对天线性能的影响Tab.4-2 Influence on antenna performance parameters m参数m/mm最低S11的频率/MHzS11最低/dBS1110dB的带/MHz13.7441.2-32.254.013.8433.9-25.253.913.9432.5-30.904.0仿真后得到的回波损耗S11图像，如下图4-2所示。图4-2 参数m对回波损耗S11的影响Fig.4-2 Effect parameter m on the return loss S11从上表和上图的分析看出，随着参数m的增大，天线的谐振频率和回波损耗都降低，参量m优化后选用13.9mm。(2)参数k(即锯齿间距)对天线性能的影响当k=5.0,5.5,6.0时，通过HFSS软件对天线的仿真分析得到如下表4-3所示的数据。表4-3参数k对天线性能的影响Tab.4-3 Influence on antenna performance parameters k参数k/mm最低S11的频率/MHzS11最低/dBS1110dB的带/MHz5.0448.2-20.254.55.5433.2-19.253.76.0432.9-25.904.0仿真后得到的回波损耗S11图像，如下图4-3所示。图4-3 参数k对回波损耗S11的影响Fig.4-3 Influence on antenna performance parameters k从上表和上图的分析，在考虑工作频率和工作带宽的情况下，选择k=6.0mm。(3)参数c(即锯齿宽度)对天线性能的影响当c=1.0,1.5,2.0,2.5时，通过HFSS软件进行仿真分析得到如下表4-4的数据。表4-4 参数c对天线性能的影响Tab.4-4 Influence on antenna performance parameters c参数c/mm最低S11的频率/MHzS11最低/dBS1110dB的带/MH1.0432-20.253.51.5440-19.254.32.0434-25.904.02.5439-25.903.8仿真后得到的回波损耗S11图像，如下图4-4所示。图4-4 参数c对回波损耗S11的影响Fig.4-4 Influence on antenna performance parameters c从上述数据分析看出，参数c对天线的回波损耗影响并无特殊规律。4.2.2短路片的影响通过HFSS软件对短路片h的高度进行仿真分析，发现h对天线的谐振频率有一定的影响。当h=7.8/8.2/8.4mm时，对天线的影响，如下表4-5所示。表4-5 参数h对天线性能的影响Tab.4-5 Influence on antenna performance parameters h参数c/mm最低S11的频率/MHzS11最低/dBS1110dB的带/MH7.8435.8-42.253.08.2433.9-28.253.88.4442.5-46.252.7仿真后得到的回波损耗S11图像，如下图4-5所示。图4-5 短路片高度h对天性性能的影响Fig.4-5 Influence on antenna performance parameters h从上述数据看出，在考虑工作频率和带宽的情况下，短路片h的高度取8.2mm。4.3天线性能的分析利用HFSS软件，通过上述对各重要参数尺寸的分析，最终确定了最优的天线尺寸参数。下面进行天线性能的分析，包括天线的阻抗匹配情况和带宽，以及天线最重要的辐射增益情况的分析。4.3.1天线的带宽天线的回波损耗S11仿真曲线如下图4-5所示，从图中我们可以看出来，当回波损耗S11-10dB时的工作频率在430.9MHz到434.7MHz内。设计的本天线工作带宽约为4MHz，可以满足TPMS系统中对轮胎压力信号的接收，可以达到要求的指标。图4-6 回波损耗S11的仿真曲线图Fig.4-6 S11 return loss simulation graph4.3.2 天线的输入阻抗如下图4-7所示的S11参数的Smith圆图，我们可以从图中看出在433MHz处，天线的归一化阻抗是(45.026-1.204j) ,说明与50阻抗匹配良好，符合天线馈线的要求。图4-7 参数S11的Smith圆图Fig.4-7 Parameters S11 Smith chart4.3.3天线的辐射特性如下图4-8所示为本设计的微带天线辐射方向图，从图中可以看出天线的x轴方向具有较高的增益，在y轴方向几乎没有辐射，在z轴的天线增益不是很理想。设计的天线全向性不是太理想，在z轴方向需要增强。这样才能在TPMS系统中读写器实时准确接收到每一个轮胎发来的胎压信息，实现对胎压情况实时监测。后面将介绍通过改善接地板来提高天线的方向辐射增益。对设计的天线进一步从整体进行优化。图4-8 天线的增益方向图Fig.4-8 Antenna gain pattern4.3.4接地板对天线的影响因为在辐射贴片上的电流要小于接地板上的电流，所以接地板要足够大才可以，至少要比辐射贴片的面积大，通过HFSS软件的仿真分析，增大接地板的面积可以获得更高的增益效果，降低天线输入阻抗的作用。最终确定本设计的微带天线的接地板大小为5060mm。同时通过HFSS软件仿真发现多增加一层地板可以起到降低天线的工作频率的作用，可以缩小读写器微带天线的尺寸。天线的S11参数如下图4-9所示，从图中可以看出虽然工作频率是降低了，阻抗匹配变差了，天线的增益大大降低了。在下一节将介绍天线的匹配电路，改善它的输入阻抗，达到与50传输线相匹配的网络。 (a)一层地板结构的S11参数 (b)双层地板结构的S11参数图4-9 地板的层数对天线的影响Fig.4-9 Effect o