HFSS天线论 2009天线年会论 2-5

改进的宽带印刷阵列天线的设计与研究高春娟 傅 光 张海强 霍树栋西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071 摘 要：本文提出了一种垂直极化水平全向印刷对称振子阵列天线的新结构。天线工作在3.43.6GHz，该结构能够有效展宽印刷对称阵子阵列的带宽，减小振子的尺寸，用HFSS软件对其进行了仿真，结果表明，这种印刷阵列的VSWR1.5的阻抗带宽为5.7%，具有很好的水平全向性，工作频率带宽内，不圆度小于0.6dB，且最大辐射方向增益大于7.8dB。关键词：印刷对称振子，宽带，新结构，天线设计Design and Research of An Improved Printed Dipole Array AntennaGao Chunjuan Fu Guang Zhang Haiqiang Huo ShudongNational key Laboratory of Antenna and Microwave Technology, XiDian University of China, Xian 710071Abstract: In this paper, a novel configuration of omni-directional printed dipole array antenna with perpendicular polarization and wideband is presented. The operate frequency is 3.43.6GHz. This structure can effectively widen the bandwidth of the printed array antenna and shorten the size of it. The characteristic of this antenna are simulated by Ansoft HFSS. The experimental result indicates, the impedance bandwidth of VSWR1.5 reaches 5.7% and good omni-directional radiation with gain variations less than 0.6dB. The value of gain exceeds 7.8dB.Keywords: Printed dipole; Wide bandwidth; Novel configuration; Design of antenna81 引言在移动通信基站、车载台、MIMO等通信系统中，经常要实现信号的全方位覆盖，因此采用全向天线成为必须。由于要实现特定范围的覆盖，这就要求天线具有一定的增益，本文要设计的天线因为频率较高，所以采用印刷阵列天线的形式加以实现。印刷阵列天线1, 2, 6有它自身的优点，比如易于加工和调试，成本低廉等。与相关文献1, 2, 3,中提到的同轴直排印刷振子天线一样，天线采用平衡双线串馈的馈电方式以达到对单元振子等幅同相馈电，通过对其结构进行改进，不但减小了天线的尺寸，在此基础上增加了天线的相对带宽。2 天线设计为了降低加工成本，以及减小不对称性因素的影响，介质材料选择常见的聚四氟乙烯，厚度为1mm,相对介电常数为2.65。这是因为不对称性会影响不圆度。用平衡双线和微带线间的等效3，图1所示。计算出平衡双线的宽度，其等效电压为原来的2倍而等效电流不变。因此双线的特性阻抗为微带线的2倍。根据下列公式：图1 微带线与平衡双线的等效其中，为介质基板的厚度，为平衡双线的宽度，为自由空间的波阻抗，等于376.7W。天线的阵列单元4,5结构图如图2所示：图2 印刷对称振子的结构示意图要实现水平全向且增益最大，大于7dB,单元数目选为六个，且对六个单元对称振子天线进行等幅同相馈电，所以单元间距选为，约为0.66，是空气波长。考虑到单个圆筒形对称振子天线的不圆度非常好，本文在文献1, 2 的基础上对阵列结构进行了改进，在沿振子臂的一周加一个圆柱套筒，由于加圆筒后，加粗了振子宽度，所以单元臂长小于0.5，设六个对称振子单元的输入阻抗为，平衡双线的特性阻抗为，从输入端看进去的阻抗为与底端双线阻抗的并联，根据同轴线特性阻抗为50以及传输线阻抗变换可计算出馈线宽度，这样就方便了与同轴馈电匹配。最后对这种结构的天线进行了仿真和测试。3 实验结果用HFSS专业仿真软件对模型进行了仿真，用安捷伦矢量网络分析仪对驻波进行了测量，由于存在制作误差，测量结果与仿真结果有一定的差异，但是在馈电端加一短路支节稍作调节，很容易就降低了驻波，结果表明，实验结果和仿真结果是基本一致的。图3 S11随频率的变化曲线图4和图5是天线的方向图，结果表明，天线有很好的全向性能，且增益达到了要求。E面方向图在低频时下倾，在高频时上翘大约3度，这是与理论符合的。图4 阵列天线H面方向图H面方向图的不圆度在3.4GHz、3.5 GHz和3.6 GHz分别为0.31 dB、0.40 dB和0.58 dB。Fre=3.5GHzFre=3.4GHzFre=3.6GHz图5 阵列天线E面方向图4 结论微带印刷对称振子天线重量小，加工简单，成本低，可靠性好，调试量小，作为阵列天线单元是非常好的。本文设计了一种新型结构的垂直极化水平全向印刷对称振子阵列天线，在普通印刷对称振子阵列的基础上加一个圆柱套筒，结果证明，该种结构的天线在设计频带宽度内达到了增益和H面不圆度的要求，而且展宽了VSWR1.5的阻抗带宽，减小了天线的尺寸，易于加工和调试。为了易于固定，便于携带和安装，保护天线，把天线固定于天线罩内。下图为加工的实物与普通签字笔的对比图。参 考 文 献1J. Lei, G. Fu, L. Yang, D. M. Fu, An omni-directional printed dipole array antenna with shaped radiation pattern in the elevation plane, J. of Electromagnet. Waves and Appl.,20062于晓乐，倪大宁等. 一种新型全向高增益印刷天线的设计. 雷达科学与技术,20063尹家贤，刘克成. 串馈微带天线阵的增益和方向图计算. 国防科技大学学报,20004康行建. 天线原理与设计. 国防工业出版社，19955杨林. 宽带印刷振子的分析与设计. 火控雷达技术，19966高峰等. 一种新型圆形智能天线阵的分析和设计. 电波科学学报，20047James J R, Hall PS, Wood C, Microstrip antenna theory and design,1981作者简介：高春娟，女，西安电子科技大学在读硕士研究生，主要从事全向天线的研究。傅光，男，教授、硕士生导师，主要研究领域天线工程。张海强，男，西安电子科技大学在读硕士研究生，主要从事全向天线的研究。射频标签用非对称缝隙天线优化设计周永明(韶关学院 电子工程系，广东韶关 512005)摘 要：为探讨标签用非对称缝隙天线的优化设计方法，尝试将基于BP算法的人工神经网络优化理论应用于标签用非对称缝隙天线的设计当中，避免了天线设计中一维优化设计的缺点. 将设计的非对称缝隙天线与Philips公司提供的标签测试芯片进行了匹配，结果与基于MOM的IE3D软件仿真结果一致性程度较好制作了实物天线，用读写器测试读写距离，能满足相应要求关键词：射频识别；标签天线；非对称缝隙天线；神经网络；优化设计Design of unsymmetrical slot antenna based on ANN for RFID tagZhou Yongming(Department of electronic engineering，Shaoguan University of China，Shaoguan 512005)Abstract: To study the optimizing design of unsymmetrical slot antenna for RFID tag，an attention is paid to optimize design of the unsymmetrical slot antenna based on ANN (Artificial Neural Networks) for UHF tag. The designing shortcoming of traditional method with one dimension geometrical parameter for tag antenna has avoided. The presented slot antenna has been matched with the testing chip of Philips Company. The design result is better consistent with that of IE3D simulation which is based on MOM (method of moment). A unsymmetrical slot antenna for tag has been fabricated，and the reading distance has been measured with the compatible reader. The result of measurement shows that the unsymmetrical slot antenna can basically meet the needs of UHF tag.Key words: RFID，tag antenna，unsymmetrical slot antenna，ANN，optimization design1 引言RFID（RFIDRadio Frequency Identification）技术是利用无线射频信号进行非接触双向通信，交换数据信息以达到识别目的的自动识别技术，它在不停车收费，资产识别、零售管理、公共交通和汽车安全防盗等领域逐渐得到应用1。无线射频识别系统是一个袖珍式的无线信息传输处理网络，RFID系统由标签，读写器和后台主机管理系统组成文中讨论的UHF频段的被动无源RFID系统中，读写器与标签通过后向散射的电磁波通信标签由专用的IC芯片和一根连接在芯片两端上的天线组成2。专用的IC芯片由于其内部结构特点通常具有复阻抗，虚部多为容性，并且虚部的值(约几百欧姆)比实部的值(十欧姆左右)大得多，这给标签天线的匹配设计带来一定的难度在RFID系统标签天线设计中，天线与芯片之间的阻抗匹配程度是系统性能指标的重要决定因素之一阻抗良好匹配和标签小型化是标签天线设计者孜孜以求的目标。传统UHF标签天线多为偶极天线及其变形结构，例如，V型偶极天线，倒F型天线、环型天线和分形天线等等3-5这些天线的轮廓外形大都是半波振子的变形，显得大了些，阻抗匹配不容易也不方便，不利于RFID技术的推广普及应用近年来，有标签用缝隙天线结构的报道6-8 ，缝隙天线与相应标签芯片匹配性能优于其他结构形式的天线. 为了达到快速并且智能优化设计标签用非对称缝隙天线的目的，本文根据常用的超高频（915MHz）标签芯片，基于BP算法，用人工神经网络优化设计了一款标签用非对称缝隙天线优化设计过程简洁，操作性强. 设计结果与用IE3D软件优化得到的一致性程度较好，天线的外形大小合适，实际制作与测试结果表明，所设计的天线适合于RFID标签应用，基本达到相应设计要求。2 非对称缝隙天线建模非对称缝隙天线是指缝隙直通平片的一侧边，馈源位于缝隙的此侧边或侧边端上. 考虑到非对称缝隙天线的特性8和标签天线尺寸要求以及缝隙天线的一般设计方法与程序6，同时为简单起见，采用的非对称缝隙天线如图1所示。平片大小为LW，缝隙高度为h，缝隙弯折长度为l，缝隙与侧边相距为，（a）和（b）分别为其俯视图和侧视图。图1非对称缝隙天线结构在保持L=50mm，W=40mm，9mm，缝隙的宽度为2mm的情况下，下面采用基于BP算法的人工神经网络来对天线参数l和h优化，优化设计与端口阻抗为11.5-j422欧姆的标签芯片相匹配的非对称缝隙天线旨在天线性能的多几何参数的设计优化，提高设计效率。通过基于矩量法的IE3D软件获得的非对称缝隙天线的阻抗与天线参数l与h关系的样本数据如表1所示实部与虚部的值都是与天线几何参数l和h对应的在频率为915MHz的数据，每一个l对应6个h值，共有36个样本数据对，基本涵盖拟设计天线的几何参数范围。表1 非对称缝隙天线样本数据L/mmH/mmRe/OhmIm/OhmL/mmH/mmRe/OhmIm/Ohm3305.9285.16308.2323.6316.6298.7319.6345.1327.8319.73211.0364.0339.3339.63313.6393.5349.5342.83413.9398.33512.6385.93518.7453.54306.6298.67309.7346.6317.8319.83111.7374.7328.9336.53212.8388.0339.8345.73316.8431.13410.0348.43417.1434.43513.6397.73523.0496.15307.0304.383011.2366.8318.6329.33114.1404.9329.5341.73215.8423.83311.7506.93318.3446.73411.5368.03424.0505.63515.9423.83528.0538.43 优化设计与试验测试3.1 优化设计为简单而又不失一般性考虑起见，人工神经网络采用基于BP算法的三层误差回传网络结构，前面两层的神经元数目选择为20训练模式为基于Levenberg-Marquardt优化的更新权值和偏置训练模式学习速率为0.05，学习速率增量为1.05，迭代次数为1000，收敛目标误差为10-6。以实部和虚部值为网络的输入，l和h的值为网络的输出，对网络进行训练其好处是可以从训练好的网络中，通过输入所要求的天线阻抗值就能直接得到所设计天线的几何参数训练后网络收敛情况如图2所示图2显示，只训练14次，网络就收敛到设定的目标，满足误差要求，说明网络训练的收敛速率和训练效率非常高将拟设计的缝隙天线阻抗的实部11.5欧姆与虚部422欧姆代入训练好的网络后，网络输出天线的几何参数值为：h=33.6mm，l=6.7mm作为验证，以此参数为参考，用IE3D仿真得到的天线几何参数为h=33.5mm，l=6.8mm，相应电性能参数如下：图2网络训练收敛曲线图3S11曲线S11=-48.5dB，S11曲线和辐射方向图分别如图3、4所示天线阻抗为15.03+j422.49欧姆，-10db阻抗带宽为300MHz，辐射效率为70.87%，方向系数为1.65dbi结果说明，神经网络优化设计结果与软件仿真结果具有很好的一致性图4辐射方向图3.2 试验测试由于所设计天线的非对称特性，实验室条件下给它的有关性能参数的实际测量带来不便,所以用阅读器测试读写距离为试验测试而制作的天线实物图如图5所示，图中标签芯片采用的IC是Philips公司的SL3S3001FTT，用AWID公司的MPR-3014阅读器在天线辐射功率为4W，中心频率为915MHz，并且在标签天线与阅读器天线良好接收条件下，测得读写距离为1.5米根据文献9报道，设计基本达到应用要求图5实物天线4 结论为了提高标签用缝隙天线的设计效率和对天线性能进行多几何参数优化设计，本文应用基于BP算法的人工神经网络对标签用非对称缝隙天线进行了优化设计，与Philips公司提供的测试芯片进行了匹配优化设计结果与基于MOM方法的IE3D软件得到的结果一致性程度较好用人工神经网络对标签用非对称缝隙天线进行优化设计时，天线设计效率和速度都得到一定提高的同时，人工神经网络优化设计方法可以同时优化两个及两个以上的天线几何参数，克服了天线传统设计方法中单一几何参数优化的不足优化设计过程清晰简洁，操作性强天线的外形大小合适，实际制作与测试结果表明，所设计的天线适合于RFID标签应用，基本达到相应设计要求参 考 文 献1K. V. Seshagiri Rao，Pavel V. Nikitin，and Sander F. Lam. Antenna Design for UHF RFID Tags: A Review and a Practical Application C. IEEE Trans. On Antennas And Propagation，2005，53(12)2Klaus Finkenzeller