（通信与信息系统专业论文）面向射频识别系统的天线阵设计.pdf

论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 面向射频识别系统的天线阵设计 通信与信息系统 唐惠武 王丽黎副教授 摘要 签名： 签名： 随着物联网的高速发展，射频识别( 1 强i d ) 作为物联网的基础使用性技术具有广泛 的应用前景，近年来已经被广泛应用于社会，经济，国防等众多领域，射频识别( r f i d ) 天线成为射频识别( 1 强i d )技术和应用领域的研究热点之一，在射频识别的众多频段中， 低频( 9 k 1 2 5 k h z ) 和高频( 1 3 5 6 m h z ) 的研究已经相对较成熟，目前发展最快也是应 用最广泛的特高频( u h f ) 频段( 8 6 0 9 6 0 m h z ) 的l 心i d 系统成为亟待国内学者研究的课 题之一，本文选择特高频( u h f ) 频段射频识别天线进行研究。 本文主要介绍了微带天线的基本理论及电性能参数，详细介绍了微带贴片天线设计的 一般步骤，借助于基于有限元法的a n s o f th f s s 软件对天线性能进行数值仿真，分别 仿真并优化出单层圆极化微带单元天线，单层圆极化微带天线阵，双层圆极化微带单元天 线和双层圆极化微带天线阵，采用贴片切角的方式形成圆极化，同时为了控制成本，便于 天线的批量化生产，采用空气层来代替传统的介质层，并且做出实物，经过r & s ( r o h d e & s c h w 6 此) 公司的矢量网络分析仪和3 d 暗室的测试，天线性能优异，完全 能够满足实际需要。 其中，单层圆极化微带单元天线和单层圆极化微带天线阵工作在9 0 2 9 2 8 m h z ，单 层圆极化微带天线阵获得更高的增益，在射频识别( r f i d ) 系统中，可识别距离更远； 双层圆极化微带单元天线和双层圆极化微带天线阵工作在8 6 0 9 6 0 m h z ，覆盖了几乎所 有的特高频( u h f ) 射频识别( i u i d ) 频段，应用范围更加广阔。 关键词：圆极化，射频识别( 1 强i d ) ，微带天线阵 a b s t f a c t t i t i e ：d e s i g no fa n t e n n aa r r a yi nr f i d m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n dl n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：h u iw ut a n g s i g n a t u r e _ 出业丛i 西 s u p e r 、，s o r ： a s s 。c a t ep r o f - l w a n g s g n a t u r e 刨l 巡均 a b s t r a c t w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e n to fi i l t e m e to f1 1 1 i n g s ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( i 江i d ) 弱 t l l eb a s i sf o ru s eo ft h ei n t e m e to ft h i n g st e c h n o l o g yh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nr e c e n t y e a u r sh 硒b e e n 埘d e l yu s e di ns o c i a l ，e c o n o m i c ，d e f i e n s ea n do t h e rf i e l d s ，m 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( i 强i d ) a n t e r u l a 弱r a d i of 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 i o g ya n d 印p l i c a t i o 璐r e s e a r c ha r e 觞，锄o n gt l l em a n yb a n d si nt l l em d i of - r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o 玛t 1 1 e l o w - 毹q u e n c y ( 9 k 1 2 5 k h z ) 锄d1 1 i 曲舶q u e n c y ( 1 3 5 6 m h z ) s 砌i e sh a v eb e e nr e i a t i v e l y m a t u 】陀，t l l ec u l l r e n td e v e l o p m e n to ft l l ef 瓠t e s t 锄dm o s t 谢d e l yu s e ds p e c i a lh i 曲- f r e q u e n c y ( u h f ) b a n d ( 8 6 0 9 6 0 m h z ) ，i 强i ds y s t e m sb e c o m e 觚u f g e n to n eo f t h et o p i c so fd o m e s t i c s c h o l a r s ，“sp a p e rs e l e c tu h f ( u h f ) b 锄do fr a d i o 船q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 枷e i u l a t h i sp 印e ri n 们d u c e st l l eb a s i ct i l e o d ro fm i c r o s t r i pa n t e n i l 雒a n de l e c t r i c a lp e o 肌锄c e p 嬲i n l e t e r s ，d e t a j l st 1 1 ed e s i 印o fi i l i c r o s t r i pp a t c h 锄t e 彻a sg e n e r a js t e p s ，b ym e a n so fm e f i l l i t e e l e m e n tm e 血o db a s e do nt l l ea n s o f th f s ss o 脚a r et os i m u l a t ea n t e n mp e r f l o 珊a n c ew e r e s i m u l a t e d锄d o p t i m i z e ds i n g l e - l a y e rc i r c u l a r l yp o l 撕z e dm i c r o s t r i p 如t e m l ae i e m e n t s ， s i n g l e - l a y e rc i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i p 锄t e n n aa r r a y ，d o u b l e l a y e rc i r c u l a r l yp o l a z e d m i c r o s t r i p 锄t e 衄ae l e m e n t 柚dd o u b l ec i r c l j l a rp o l a r i z a t i o nm i c r o s t r i p 锄t e 衄a 鲫硝，f o 咖e d c i r c u l 缸p o i a r i z a t i o n 眦e m _ l ab yw a yo fc o m e rc u t t i n 舀锄di no r d e rt oc o n t r o ic o s t s ，f a c i i i t a l e m e 锄t e 仰am a s sp r o d u c t i o 玛t l l eu o ft h ea i rl a y e rt 0r e p l a c em e 协狙i t i o n a jd i e l e c t r i cl a y e r 锄dm a l ( et l l e 眦“n g s ，t h r o u g ht l l er & s ( i 的h d e & s c h w a r z ) t h ec o m p a i l y sv e c t o r n 咖o r ka n a j ) ，z e r 狮d3 dc h 锄b e ro ft l l et e 瓯t h e 锄t e 皿ap e r f i o 珊a i l c em l l ya b l et 0m e e ta c 叫 n e e d s a m o n gt l l e m ，s i i l g l e l a y e rc i r c u i a r l yp o i 撕z e dm i c m 妤p a n t e i l i l aa i l ds i n g i e - l a y e rc i r c u l a r i y p o l a r i z e di i l i c r o s t r i p 锄t e m 诅觚可w o r kb e m e e n9 0 2 m h z 觚d9 2 8 m h 乙s i n g l e l a y e rc i r c u l 矾y p o l a d z e dm i c m s 讲p 锄t e 衄a 锄yc a no b t 撕nh i g h e rg a i na n di d e n t i 矽m o 陀d i s t a n ti nt 量l em d i o 丘明u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) s y s t e i i l s ；d o u b l e l a y e rc i r c u l 砌yp o l 撕z e dm i c r o 矧pa 1 1 t e 皿a a u l dd o u b l e l a y e rc i r c u l a r l yp o l 撕z e dm i c m s t r i p 锄t e r u 诅a m yw o r kb e 坩e e n8 6 0 m h z 锄d9 6 0 h m h z ，w h i c hc o v e ra l m o s ta l lo fm er a d i o 能q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) b a n d si nu l t r a h i g h f r e q u e n c y ( u h f ) ，e n l a r g er a n g eo fa p p i i c a t i o n s k e yw o r d s ：c i r c u l a rp o l 撕z a t i o n ，r a d i o 舶q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) ，m i c r o s t r i pa n t e r u l a 硪q u i 绪论 1 绪论 1 1 引言 射频识别是无线射频身份识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n i 心i d ) 的简称， 是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频识别( r f i d ) 技术能够对静止 或移动的目标进行自动识别，同时高效地获取目标信息数据，通过与互联网技术的进一步 结合，还可以实现全球范围内的目标跟踪与信息共享1 。 射频识别( r f i d ) 技术，是当今时代信息技术在全球物品编码、物资流通、自动配送方 面的最新应用，受到全球各界前所未有的关注“钉。这一技术的出现，给人们的日常生活 带来了巨大的变革，在交通、医疗卫生、物流等诸多领域发挥出重要的作用，并对提高生 产效率、增加社会财富、促进人类文明发展产生深远的影响。 射频识别( r f i d ) 在本质上是物品标识的手段，它被认为将最终取代现今应用非常 广泛的传统条码，成为物品标识的最有效的方式，射频识别( 1 强i d ) 将会有非常广泛的 应用前景。 1 2 射频识别系统概述 1 2 1 射频识别系统的基本组成： l u i d 系统至少包含电子标签和阅读器两部分。其中电子标签是射频识别系统的数据 载体，由标签天线和标签专用芯片组成。跟据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分 为3 类，6 1 订分别是 ( 1 ) 有源电子标签( a c t i v et a g ) 又叫主动电子标签，标签内装有电池 ( 2 ) 无源电子标签( p 嬲s i v et a g ) 又叫被动电子标签，标签没有内装电池 ( 3 ) 半无源电子标签( s e m i l a s s i v et a g ) ，标签部分依靠电池工作。 电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波 电子标签。依据封装形式的不同可分为玻璃管标签、圆形标签、纸状标签、信用卡标签、 线形标签及特殊用途的异形标签等。 盯i d 阅读器( 读写器) 通过天线与l 强i d 电子标签进行无线通信，可以实现对标签 识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、 控制单元以及阅读器天线。 1 2 2 射频识别系统的工作原理： 射频识别系统中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为通讯 l 西安理工大学硕士学位论文 器，扫描器、读出装置、读写器( 取决于电子标签是否可以无线改写数据) 。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。8 9 1 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：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。电感耦合方式一般适合于低频工作的距离较近的射频识别系统。典型的工作频率有： 1 2 5 l m z 、2 2 5 l ( h z 和1 3 5 6 m h z 。识别作用距离小于l m ，典型作用距离为1 0 2 0 c m 。 ( 2 ) 电磁反向散射耦合：模仿雷达原理，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。典型的工 作频率有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 。识别作用距离大于l m ，典型作用距 离为3 l o m 。： 1 2 3 射频识别技术的发展历程： l u i d 直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的新技术l u i d 技术。 1 9 4 8 年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别( r f i d ) 的理论基 础。1 0 1 r f i d 技术的发展可按l o 年期划分如下： ( 1 ) 1 9 4 l 1 9 5 0 年 雷达的应用催生了l u i d 技术，并且在1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的理论基础。 ( 2 ) 1 9 5 l 1 9 6 0 年 r f i d 技术早期的探索阶段，主要处于实验室实验研究阶段。 ( 3 ) 1 9 6 l 1 9 7 0 年 l 强i d 技术的理论研究得到了一定的发展，开始了一些应用尝试。 ( 4 ) 1 9 7 1 1 9 8 0 年 r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试得到加速。出现了 一些最早的i 婚i d 应用。 ( 5 ) 1 9 8 l 1 9 9 0 年 r f i d 技术及产品研发进入商业应用阶段，各种规模商业应用开始出现。 ( 6 ) 1 9 9 l 2 0 0 0 年 l 讧i d 技术标准化问题日趋得到重视，l 讧i d 产品得到广泛采用，r f i d 产品逐渐成为 人们生活中的一部分。 2 0 0 l 至今。标准化问题逐渐被人们所重视，r f i d 产品种类更加的丰富，有源电子标 签、无源电子标签及半无源电子标签得到了一定的发展，随着电子标签成本不断降低，规 模应用行业也在不断扩大。r f i d 技术的理论得到丰富和完善。多电子标签识读、无线可 2 绪论 读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的l 讧i d 正在成为现实。3 1 1 2 4 射频识别技术的应用范围： ( 1 ) 物流：物流过程中货物追踪，信息采集，仓储应用、港口应用，邮政，快递 ( 2 ) 零售：商品的销售数据实时统计，补货，防盗 ( 3 ) 制造业：生产数据实时监控，质量追踪，自动化生产， ( 4 ) 服装业：自动化生产，仓储智能管理，品牌管理，单品管理，渠道管理 ( 5 ) 医疗：医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗 ( 6 ) 身份识别：电子护照，身份证，学生证等各种电子证件。 ( 7 ) 防伪：贵重物品( 烟，酒，药品) 的防伪，票证的防伪等 ( 8 ) 资产管理：各类贵重资产或危险品等 ( 9 ) 交通：高速路不停车收费，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等 ( 1 0 ) 食品：水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理 ( 1 1 ) 动物识别：训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理 ( 1 2 ) 图书馆：书店，图书馆，出版社等应用 ( 1 3 ) 汽车：制造，防盗，定位，车钥匙 ( 1 4 ) 航空：制造，旅客机票，行李包裹追踪 ( 1 5 ) 军事：弹药，枪支，物资，人员，卡车等识别与追踪5 堙1 1 3 国内外发展现状 1 3 1 射频识别技术的发展现状 l 强i d 的基本技术原理起源于二战时期，起初盟军利用无线电数据技术来识别敌我双 方的飞机和军舰。战后，由于成本比较高，该技术一直主要应用于军事领域，并没有很快 在民用领域得到推广应用。一直到上世纪八九十年代，随着芯片和电子技术的提高和普及， 欧洲开始率先将l 讧l d 技术应用到公路收费等民用领域。到二十一世纪初，r f i d 迎来了 一个全新的发展时期，r f i d 在民用领域的价值开始得到全世界的广泛关注，尤其是在西 方发达国家，r f i d 技术大量应用于公路收费、门禁、生产自动化、停车场管理、身份识 别、货物跟踪等民用领域中，其新的应用范围还在不断扩展，层出不穷。 基于r f i d 的典型案例：1 ( 1 ) 高速公路不停车收费e t c ( e l e c 们n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 系统 在车俩挡风玻璃上安装车载通行证支付r f i d 电子标签，电子标签与收费站e t c 车道 上的微波天线之间通过微波短程通信，利用计算机联网与银行系统进行后台结算处理，同 时利用车辆安装的r f i d 电子标签和路边安置的感应器，还可得到车辆行驶路径以及车的 西安理工大学硕士学位论文 流量信息，美国、欧洲、日本较早就开始对e t c 系统技术、工程实施和标准规范进行了 研究。 ( 2 ) 新加坡国家图书馆( 图书资产) 管理 使用r f i d 标识每一本图书，同时利用r f i d 对每一本图书的“唯一 标识，国家图书 馆与社区图书馆联网，读者可以在任意一个分馆还书。读者只需将书放入还书亭，l 强i d 读写器就能立刻确认还书信息，图书的分拣也可以由计算机自动完成。 ( 3 ) 识别和追踪各种产品和设备 用于医疗器械管理和追踪，美国密歇根大学医疗系统( u m h s ) ，利用r f i d 实现医院 追踪外科手术中医疗组织物品去向，记录物品用于哪位病人，或者取走物品的医务人员、 冷藏的物品、冷藏外的时间等等，降低人为出错概率。 在我国，本世纪初i 讧i d 已经开始在进行试探性的应用，并且很快得到政府的大力支 持，2 0 0 6 年6 月，中国发布了中国l 心i d 技术政策白皮书，标志着r f i d 的发展已经 提高到国家产业发展战略层面。到2 0 0 8 年底，中国参与l 强i d 的相关企业达数百家，已 经初步形成了从标签及设备制造到软件开发集成等一个较为完整的l 强i d 产业链，据专家 估计，2 0 0 8 年中国l 强i d 相关产值达到8 0 亿元左右，并且将在未来5 1 0 年保持快速发 展。 2 0 0 8 年1 2 月3 1 日，长三角高速公路不停车收费系统( e t c ) 正式开始运行。装有 车载单元的车辆只需3 5 秒即可通过收费道口，通行效率大为提高。可以想预见，如果 该系统能够在车辆上广泛装备，高速公路堵车现象将大为缓解。 我国射频识别( r f i d ) 标签应用最大的项目是第二代公民身份证 1 3 2 射频识别天线的发展现状 目前，对于应用于射频识别( r f i d ) 系统天线的研究大多集中在标签天线上，对读写器 天线的研究并不多，甚至较少。l 强i d 读写器天线多采用微带天线型式，因为微带天线具 有体积小、重量轻，成本低、易实现圆极化等优点。目前的文献对读写器天线虽有一些， 但是资源非常有限，国内文献涉及到的l u i d 读写器天线均采用微带天线形式n 1 5 工工作 在特高频( u h f ) 频段，但是均为线极化天线，未考虑读写器天线圆极化这一重要特点。 本文研究的正是特高频( u h f ) 频段，应用于射频识别( 1 讧i d ) 系统的圆极化微带贴片 天线阵。 在众的多射频识别频段中，低频( 9 k 1 2 5 k h z ) 和高频( 1 3 5 6 m h ) 研究已经相对 比较成熟，目前发展最快也应用最广泛的特高频( u h f ) 频段( 8 6 0 _ - 9 6 0 m h z ) 的l 叮i d 系 统成为亟待国内学者研究的课题之一。 4 绪论 各国地区已经确定的射频识别在特高频( u h f ) 应用的频段n 6 1 国家或地区r f i d 在特高频u h f 应用频段( m h z ) 美国 9 0 2 9 2 8 欧洲8 6 5 8 6 8 日本9 5 2 9 5 42 4 5 g 印度 8 6 5 8 6 7 新加坡 8 6 6 8 6 99 2 3 9 2 5 澳大利亚 9 2 0 9 2 6 香港 8 6 5 8 6 89 2 0 9 2 5 台湾 9 2 2 9 2 8 1 4 本文的工作 表1 1f u f i d 在u h f 中应用频段 t a b 1 lt h e 触q u e n c yo f r f l fi nu h f 本文针对射频识别系统对天线的要求，采用理论设计与实验相结合的方法，设计出 应用在9 0 2 9 2 8 m h z 以及8 6 0 9 6 0 m h z 频段的圆极化微带天线阵，并作出实物，经测 试，天线电性能指标优异，完全能够满足实际应用。具体内容如下： 第一章简要介绍了射频识别( r f i d ) 系统的组成、工作原理、发展历程和应用范围， 之后介绍了l 珂i d 系统和l 讧i d 天线的国内外现状以及l 心i d 天线在u h f 应用的频段。 第二章主要对微带天线的基本理论进行了简要介绍，包括：微带天线的定义、辐射机 理、微带天线的电性能指标、形成圆极化的方法、馈电方式等部分。 第三章介绍了矩形微带天线设计的一般步骤，列出了关键性指标的计算公式，计算并 仿真、优化了工作在9 0 2 9 2 8 m h z 频段的单层圆极化微带单元天线。 第四章仿真，优化了应用在9 0 2 9 2 8 m h z 的单层圆极化微带天线阵：仿真、优化了应 用在8 6 0 9 6 0 删z 频段的双层圆极化微带阵元天线以及双层圆极化微带天线阵，仿真及实 测性能良好。 第五章为结论，对全文做了简要的总结。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 微带天线概述 在射频识别( r f i d ) 系统中，由于电子标签位置的不确定性，系统要求读写器天线具有 圆极化性能，微带天线由于具有体积小，重量轻，结构简单，易于实现圆极化等特点， u h f 频段读写器天线多选用微带天线的型式。1 2 1 微带天线定义 微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线( m i c r 0 嘶pp 弱t ea n t e 衄a ，m p a ) 、微 带行波天线( m i c r o s t r i pt r a v e l i n g w a v ea m t e r u l a ，m t a ) 和微带缝隙天线( m i c r o s t r i ps i o t a n t e n n a ，m s a ) 。 图2 1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射贴片、介质层和金属接地板三部分 组成。辐射贴片可以是金、铜或者铝，可以有任意的几何形状和尺寸。1 8 1 9 1 接地板 图2 1 微带天线的结构 f 嘧2 1s 虮j c t u 他o fm i c r o s t r l pa n t e n n a 2 2 微带辐射器的辐射机理 如图2 2 ( a ) 所示：与微带天线性能相关的参数包括辐射贴片的长度b 、辐射贴片的 宽度a 、介质层的厚度h 、介质的相对介电常数g ，和损耗角正切t 觚艿，介质层的长度l g 和宽度w g 。图中是采用微带线来馈电的。 分析微带天线的基本理论大致可以分为三类，分别是 ( 1 )传输线模型( t e m t r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 理论1 2 1 翟1 ( 2 ) 空腔模型( c m - c a v i t ym o d e l ) 理论 ( 3 ) 积分方程法( i e m i n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) ，即通常所说的全波( f w f u l l 6 微带天线概述 w a v e ) 理论 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微 带天线的工作模式是t m 。模，意味着电场在长度b 方向上有以2 的改变，而在宽度a 方 向上保持不变。在长度b 方向上可以看成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度 a 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2 2 ( b ) 可以看出，微 带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘 的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐 射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 徽 介质基片 ( a ) 矩形微带贴片天线 ( b ) 微带辐射器电场分布 图2 2 微带辐射器 f i g 2 - 2m i c r o s t r i pr a d i a t i ) r 2 3 微带天线的电性能指标 2 3 1 中心工作频率( 谐振频率) 微带天线的宽w 和谐振频率的关系为：2 3 1 w = 东( 譬) 亿t ， w = i i2 il 2 厂ol 2 p 一7 天线本身是一个一端开路、可以向外辐射电磁波的谐振体，其最本质的特性一谐振频 7 西安理工大学硕士学位论文 率，主要就是由辐射体本身的长度、宽度这些结构参数来决定的，其它的结构( 如短路壁、 销钉加载、开槽等) 都是在较小范围内对谐振频率进行微调，同时辐射贴片的宽度w 还在 一定程度上影响微带天线的频带宽度和辐射效率。2 “5 1 另外，w 的尺寸直接地支配着微带 天线的总尺寸，在安装尺寸允许的条件下w 取得适当大些对频带、效率和阻抗匹配都有利。 微带贴片天线的介质层是空气，相对介电常数近似为l ，且形状为规格的矩形，因此 很多公式都可以简化，便于设计和分析。由式( 2 一1 ) 可知谐振频率与辐射贴片长度和宽 度的关系，在天线的设计和性能分析中可以灵活运用。 2 3 2 频带宽度 频带窄是微带天线的主要缺点之一，对矩形微带天线其原因可理解为两个辐射缝之间 的低的传输线特性阻抗( 1 一1 0 q ) 所致。微带天线的介质层( 包括相对介电常数，和高度 h ) 对频带宽度影响极大。由于辐射贴片与接地板之间的介质层是空气，因此介质层的相对 介电常数的选取不用考虑。 天线频段宽度指的是天线的电性能满足某一特定指标时的频带范围。一般情况下频带 宽度以输入端电压驻波系数( v s w r ) 值小于给定值的频率范围b w 来表示，若v s w r 给定值为 s ，则胚脚s 的b w 为：筠 b ：等( 2 2 ) q t qs 式中，q t 是天线的总品质因数值，表达式如下： 击= 锄妨= 壶+ 壶+ 考+ 麦 c 2 3 ， 虿2 锄嘞2 虿+ 西+ 西+ 瓦 q 3 其中，t 锄吩为微带线的等效损耗角正切；q 、q 、q 、q 分别为辐射损耗、导体损耗、 介质损耗以及表面波损耗引起的相应的品质因数。对于矩形贴片天线有： q 湍 ( 2 4 ) q = j i ，厮= 7 r j l ，扛丽瓦 ( 2 5 ) q = 击 ( 2 6 ) 其中s ，为介质的相对介电常数，j l ，为介质基片的厚度，仃为介质的电导率。对于薄微带天 线，瓯的效应往往可近似不计。 当辐射贴片高度厅 九1 6 时，坯眦s2 的频带宽度的经验公式可近似为： 曰形= 5 0 4 厂2 j i i ( 2 7 ) 3 微带天线概述 从上式可以看出，增大h 可以展宽频带。 但是这些因素是互相制约的。通过增大辐射贴片的高度h 来展宽频带和提高效率，同 时也会增加整个天线的重量，破坏天线的低剖面特性。 2 3 3 方向特性、增益及波束宽度 a 方向图 用于描述天线方向性的特性曲线，可以用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射 或者接受电磁波的能力。一般而言，表示功率通量密度空间分布的辐射方向图称为功率方 向图；表示场强振幅空间分布的辐射方向图称为场强方向图。“订嘲1 方向图的类型包括功率方向图，场强方向图，水平方向图和垂直方向图。 在三维坐标中，方向图描绘的是一个三维曲面，称之为立体方向图或空间方向图，立 体方向图形象、直观，但绘画复杂，实际中经常采用平面方向图即e 面( 妒= 9 0 0 ) 和h 面( 9 = o o ) 方向图来描述天线的空间辐射特性。 b 方向性系数 天线方向性系数，描述的是天线将能量集中辐射的程度。 定义为在辐射总功率相等的情况下，天线在某个方向( p ，妒) 辐射的功率密度s ( 9 ，9 ) ， 与全方向天线( 理想点源) 辐射的功率密度s 。之比。天线的方向性系数表征了该天线在某 一辐射方向上比起无方向性天线来说辐射功率放大的倍数，也可理解为，在同一点产生相 同的辐射场时，无方向性天线所需要的辐射功率与方向性天线所需要的辐射功率之比。 天线的方向性系数是方向的函数，不同方向的数值不同。一般说起的方向性系数指的 是最大辐射方向上的方向性系数。将矩形微带天线看作一段传输线分开的两个缝隙所构 成，其中的一个单缝隙天线的方向性系数可表示为： q ：譬 ( 2 8 ) 1 式中，w 为辐射贴片的宽度，a o 为真空中的波长，i 可由下式求出： ，：l s i n 2 ( 业掣) t a l l ：日s i n 伽 ( 2 9 ) 6 二 间距为l 的上述两个缝隙的方向性系数为： 一 n d = ( 2 1 0 ) 中：g lz 为归一化互导，由下式求出： 乳= 士芒生竺竺堡竺d 9 蜀2 = 丽j j l - i 叫9 ( 2 1 1 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 式中：g 1 为单缝的辐射电导，q 1 以0 ) 以x 为自变量的零阶贝塞尔函数 c 增益 天线增益定义为：在输入功率相等的条件下，天线在某个方向( 日，妒) 辐射的功率密度 s ( d ，妒) 与全方向，无损天线的功率密度s o 之比。天线增益还可理解为：在天线的最大辐射 方向上的某一点，该天线的电场强度与理想点源天线在同一处产生的电场强度相同的情况 下，理想点源天线的输入功率与该天线的输入功率之比。“5 1 啪1 天线的增益g 可以表示为方向性系数与效率的乘积，即： g = ，7 d( 2 1 2 ) 式中：町天线效率 方向性系数表征天线辐射电磁能量的集束程度，效率表征天线能量的转换效能，增益 可认为表征天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。 实验证明辐射贴片高度h 对辐射效率有显著影响，h 的增加会使辐射效率增大，因此 增益g 和贴片高度h 成正比关系。 2 3 4 波束宽度 波束宽度一般是指半功率波瓣宽度，也叫3 d b 波瓣宽度，在功率方向图的主瓣中，指 把相对最大值辐射方向功率降到一半处或小于最大值3 d b 的两点之间的波束宽度夹角，可 用下式计算：3 0 1 ”2 0 8 五每y 心 亿1 3 二i t j 2 观一o s ( 茹) i ，2 ，k l 十i 月 式中： h 面半功率波束宽度 日r e e 面半功率波束宽度 目前，上述的指标参数理论计算多用于天线设计的初级阶段，只是一个大体的估值。 计算机仿真软件发展迅速，种类繁多、精度很高，一般都是在天线设计建模完成后，通过 仿真直接得到近、远场各种场分布图，再对天线的各项指标进行优化、测量。方法简单、 实用、高效，极大地缩短了天线从设计到生产的时间。哪! 2 3 5 阻抗特性 a 输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。输入阻抗主要取决于天线 的自身结构，工作频率还有其它因素。天线作为馈线的负载与之相连，最优的情况是天线 1 0 微带天线概述 输入阻抗是纯电阻并且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻 波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。计算输入阻抗在天线设计中是非常关键的步 骤，它对馈电网络的设计及匹配的实现起着重要作用。传统的理论方法是采用修正的腔模 理论来计算输入阻抗，将包括辐射在内的各种损耗都考虑进去，以得出符合实际的输入阻 抗计算公式。根据这一思想可以导出矩形微带天线输入阻抗的计算公式：3 1 1 “2 1 如( z ) ：2 g 【c 0 s 2 ( 肘+ 堡s i n 2 ( 肘一軎s i n ( 2 肘】 ( 2 1 5 ) 工oo 式中： g ：! 二盟塑丝 ( 2 1 6 ) 1 2 0 九 曰：坐! 坐! ( 2 1 7 ) z o 厂一 卢：竺磐( 2 1 8 ) 除少数特定形状、简单馈电的天线可以应用上式获得输入阻抗的严格理论解外，大多 数天线只能采用近似求解或实验测定。3 3 1 b 阻抗特性 一般，输入阻抗在天线的设计和分析中只是一个理论参考，目的是通过计算输入阻抗 得到良好的馈电匹配。实际设计中更关心天线的输入电阻对整个天线性能的影响。对于绝 大多数微带天线而言，输入阻抗随频率的变化是最敏感的，因此将输入阻抗对天线频带的 影响称为天线的阻抗特性。 阻抗特性，一般以天线输入端电压驻波系数小于某一给定值的频带范围表示。在工程 仿真与实测时，多绘出v s w r 随频率的变化曲线，将v s w r 小于某一定值时的频带范围作为 衡量该微带天线阻抗特性是否满足指标要求的依据，此法简单易行，尤其是应用仿真软件 可直接得到变化曲线，因此应用极广。 c 极化特性 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指的是最大辐射方向( 对 发射天线) 或最大接收方向( 对接收天线) 的极化。 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。分线极化、圆极化和椭圆 极化。 线极化：电磁波的电场矢量取向不变，为一直线。当电场强度方向垂直于地面时，此 电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。 圆极化：电磁波传播过程中电场是旋转的，幅度( 大小) 保持不变。又分为左旋圆极 化波和右旋圆极化波。右旋圆极化波：向传播方向看去顺时针方向旋转：左旋圆极化波： 西安理工大学硕士学位论文 向传播方向看去反时针方向旋转。 椭圆极化：电磁波在传播过程中电场的方向是旋转的嘲蜘。 值得注意的是，线极化波和圆极化波是由天线的阵子结构决定的，是绝对的；但是水 平极化波和垂直极化波，左旋圆极化波和右旋圆极化波是相对的，取决于天线的摆放。同 一款天线，若垂直放置时，该天线是垂直极化，那么它水平摆放时就变成了水平极化。 工程上一般用轴比这个概念反映天线的圆极化性能好坏。椭圆极化波的轴比a r 定义 为： 轴比= 蒜 当长轴= 短轴时，天线则为圆极化天线。呦1 线极化椭圆极化圆极化 z y l e 2 、 x 。 7 e i a r = 无穷a l b l 8 a r - l 图2 3 天线的极化方式 f i g 2 - 3 p o i 撕z a t i o nm o d eo f 锄t e n 越 2 4 微带天线圆极化的实现方法 通常情况下，微带天线是线极化的，要想得到圆极化辐射，即用单片微带天线就能 辐射圆极化波需要采用特殊的馈电方式，并且调整微带天线的实际尺寸，使激励起两个幅 度相等并且相位差为9 0 度的正交模。对于单片微带天线实现圆极化的常见馈电方式有两 种：一种是单点馈点；隅1 n 订汹1 另一种是双点馈点。啊1 单点馈点：微带天线由一点馈电，在天线上附加尺寸合适的简并模分离单元，产生 幅度相等、正交，相位差相差9 0 。的两个线极化波，从而形成圆极化辐射。它无需任何 移相网络和功率分配器就可以实现圆极化辐射。 双点馈点：两个馈电点成直角分布，当两个信号馈入幅度相等，相位差为9 0 度时即可 形成圆极化辐射。 1 2 微带天线概述 2 5 微带天线的激励方法 对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电。下面讨论对单元天线的馈电 方法。 对微带单元天线进行馈电的三种基本方式，分别为：微带线馈电、同轴线馈电和电磁 耦合馈电。 大多数微带天线在介质基片的一面上有辐射贴片，因此多采用微带馈电或同轴线馈 电。因为天线输入阻抗通常不等于5 0 贝传输线阻抗，所以需要匹配。匹配需要恰当选择 馈电的位置，同时馈电的位置也会影响辐射特性。柏钔1 。 2 5 1 微带线馈电 如图所示，微带线由厚度为h ，宽度为w 的导带和金属底板组成，介质的相对介电常 数为s 。 微带线馈电分为中心式微带馈电和偏心式微带馈电。馈电点的位置将决定激励出哪种 模式。如果天线的几何图形只维持主模，则微带馈电可偏向一边以得到良好匹配。如果场 沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度移动时，输入阻抗也会随之改变进而使馈线和 天线之间的藕合发生改变，使天线谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍保持不变， 可以稍加改变贴片尺寸或天线尺寸，补偿谐振频率的漂移。 用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此制作方便，简单经济。但馈线本身 的辐射会干扰天线的方向图，降低增益。 2 5 2 同轴线馈电 i h ：、产抖。r 、e r 图2 _ 4 微带线馈电 f i g 2 _ 4f e e do fm i c r d s 们pi i n e 如图2 5 所示，同轴线由内导体，外导体，以及内外导体之间填充的相对介电常数为 g ，的介质组成，它是一种双导体结构，主模是t e m 模n 2 1 3 西安理工大学硕士学位论文 内导体 图2 5 同轴线馈电 f i g 2 - 5f e e do f c o a x i a il i n e 一般情况下，同轴线的外导体安装在接地板( 印刷电路板) 的背面，而同轴线内导体接 在天线导体上。对指定的天线模式，同轴馈电点的位置可由经验去找，以便产生最好的匹 配。 根据惠更斯原理，同轴馈电可以用一个由底面流向顶面的电流圆柱带来模拟。如果忽 略磁流的贡献，并假定电流在圆柱上是均匀的，则可以进一步简化。简化到最理想的情况 是，取出电流圆柱，用一电流带来代替，类似微带馈电的情况。4 2 1 该电流带可认为是圆柱 的中心轴，沿宽度方向铺开并具有等效宽度的均匀电流带，对于给定馈电点和场模式，等 效宽度可以根据计算与测量所得的阻抗轨迹由经验确定。 2 5 3 电磁耦合馈电 自从2 0 世纪8 0 年代以来出现了多种电磁耦合型馈电方式。其结构上的共同特征是贴 近式( 不接触) 馈电，这种馈电方式通常要求微带天线的结构为双层( 或多层) 结构。 邻近耦合馈电是指将馈电用的微带线制作在底层基片上，将端接开路短线的贴片制作 在上层基片上。 口径耦合馈电是指用一块接地板隔开二块平行的基片，底层基片上的微带线通过接地 板上的小口径耦合到上层基片的贴片上。“3 1 由于耦合馈电方式允许在一块介电常数高的薄基片上进行馈电，而在另外一块介电常 数低的厚基片上安装天线。因此，采用双层结构，采用耦合馈电，可以分别对微带天线的 馈电性能和辐射性能进行优化。这种结构能够减小甚至消除馈源的寄生辐射对天线方向图 和极化纯度的影响。虽然这种结构没有焊点，可以提高微带天线的可靠性，但由于双层基 片需要精确对准，所以，双层基片的制作还是有一定难度的。 电磁耦合馈电对于多层阵中的层间连接问题，是一种有效的解决方法，并且大多能获 得宽频带的驻波比特性。 1 4 微带天线概述 2 6 微带阵的馈电形式 阵的馈电网络的主要任务是保证各个阵元所要求的激励振幅和相位，以便形成所要求 的方向图，或者使天线性能某指标最佳。对馈电网络的主要要求是阻抗匹配，损耗小，频 段宽和结构简单等。阵的馈电形式主要有并联和串联馈电两种形式，也有这两种形式的组 口o 2 6 1 并联馈电 并联馈电时采用若干个功率分配器，将输入功率分配到各个阵元。功率分配器可以分 成两路，三路或是多路。但是为了是馈电结构中最大和最小阻抗之比最小，通常多采用两 路功率分配器。 对于并联馈电阵，当所有阵元相同时，各个阵元所要求的振幅分布可以利用改变功率 分配器的各路功率分配来实现，而各个阵元所要求的相位分布，可采用控制各路馈电线长 度或是附加移相器来实现。例如，对于同向阵，则可以利用各路馈线等长或是相差馈线波 长的整数倍来保证各元同相激励。对于功率分配器除了要求保证功率分配以外，还要求各 路