RFID标签天线设计仿真

硕士专业学位论文论文题目RFID标签天线的设计与仿真研究生姓名俞嘉指导教师姓名吴红卫专业名称电子与通信工程研究方向通信论文提交日期2012年10月16日RFID标签天线的设计与仿真中文摘要IRFID标签天线的设计与仿真中文摘要在现代通信系统中，天线是其中不可缺少的部分，移动通信系统的迅猛发展和电路集成化程度的不断提高，对天线提出了小型化、宽频带、多频段的要求。随着无线射频识别技术RFID的发展，RFID技术的应用已经变得越来越流行，如物流控制，库存管理以及生物工程等各个领域。面对一个巨大的潜在市场，无线射频识别系统将会受到越来越多的关注。与已有的一些识别技术相比，RFID具有显著的优点，像识别速度快，方法灵活，智能化程度高，尤其是它可以在各种复杂的环境中完成识别任务等优点备受青睐。在此应用背景下本论文首先系统地介绍了天线设计的基本原理，在此基础上设计了一款印刷偶极子天线，该天线结构小巧，微带线馈电，且性能稳定，同时还就各个尺寸对天线的性能影响作了仿真分析。接着在这款天线的基础上又设计了一款缝隙双频微带天线，工作频段为24GHZ和52GHZ。通过仿真得到24GHZ处的带宽达到了600MHZ（从205GHZ265GHZ），在52GHZ频段时阻抗带宽从475GHZ到59GHZ共115GHZ。设计的天线具有稳定的性能。最后对未来相关的工作做了展望。关键词RFID、印刷偶极子、频段、微带双频天线作者俞嘉指导教师吴红卫ABSTRACTDESIGNANDSIMULATIONOFTHERFIDTAGANTENNAIIDESIGNANDSIMULATIONOFTHERFIDTAGANTENNAABSTRACTANTENNAISANINDISPENSABLEPARTOFMODERNMOBILECOMMUNICATIONSSYSTEMNOWADAYSTHERAPIDLYDEVELOPEDCOMMUNICATIONSSYSTEMANDTHEHIGHLYDEGREEDCIRCUITINTEGRATIONREQUIRETHEMINIATURIZATION,BROADBANDANDMULTIBANDOFANTENNASTHEDEVELOPMENTOFTHEWIRELESSRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONTECHNOLOGYRFIDFACILITATESITSAPPLICATIONINMANYFIELDSSUCHASINTHEFIELDSOFLOGISTICSCONTROL,INVENTORYMANAGEMENTANDBIOLOGICALENGINEERINGWITHAHUGEPOTENTIALMARKETBEHINDIT,THETECHNOLOGYWILLATTRACTMOREANDMOREATTENTIONINTHECOMINGFUTUREITSADVANTAGESOVEROTHERSIMILARTECHNIQUESLIEINITSHIGHSPEED,FLEXIBILITY,HIGHDEGREEOFINTELLIGENCE,ANDESPECIALLY,ITSABILITYTOIDENTIFYTASKSINVARIOUSSOPHISTICATEDENVIRONMENTSINTHECONTEXTOFRFIDSAPPLICATION,THETHESISFIRSTGIVESASYSTEMATICEXPLANATIONOFTHEBASICPRINCIPLESABOUTANTENNASDESIGNANDTHENONTHESEPRINCIPLES,THETHESISPRESENTSADESIGNOFAPRINTEDDIPOLEANTENNATHATISCOMPACT,STABLEWITHTHECHARACTERISTICOFMICROSTRIPLINEFEEDMEANWHILE,AFURTHERSIMULATIONANALYSISISMADEABOUTTHEEFFECTSDIFFERENTSIZESHAVEONANTENNASFUNCTIONONTHEBASISOFTHISDESIGN,ADUALBANDMICROSTRIPFEDSLOTANTENNAISCREATEDWITHWORKINGFREQUENCYRANGINGFROM24GHZTO52GHZTHROUGHSIMULATION,THEBANDWIDTHOF600MHZFROM205GHZTO265GHZISGAINEDINTHE4GHZFREQUENCYBANDANDIMPEDANCEBANDWIDTHFROM475GHZTO59GHZWITHTHETOTALOF115GHZINTHE52GHZFREQUENCYBANDTHEANTENNAHASTHEADVANTAGEOFSTABLEPERFORMANCEINTHEEND,THETHESISPREDICTSTHEFUTUREDEVELOPMENTOFTHERFIDTAGANTENNAKEYWORDSRFID,PRINTEDDIPOLE,BAND,DUALBANDMICROSTRIPANTENNAWRITTENBYYUJIASUPERVISEDBYWUHONGWEI目录第一章绪论111无线通信的基本概念112天线在无线通信中的作用113RFID天线的基本概念214电磁场数值计算215仿真软件简介316本文主要工作4第二章天线基础知识621天线基本知识622天线的基本电参数7221天线的方向性7222天线的效率与增益9223天线的输入阻抗10224天线的带宽10225天线的极化1123对称振子基本知识12231对称振子简介12232对称振子电流分布13233对称振子辐射场1424微带缝隙天线的基本知识15241微带缝隙天线的基本结构16242理想缝隙天线的分析方法与工作原理18243平板（对称）缝隙天线1925双频天线的基础知识202251单层贴片双频实现方法20第三章RFID技术及其天线设计分析2431RFID系统24311RFID系统的工作原理24312RFID系统组件与分类2532RFID标签天线的设计分析26321天线必须具备的要求28322系统和天线之间的匹配2833设计天线的指标要求29第四章印刷偶极子天线仿真分析3041印刷偶极子天线的结构设计3042HFSS建模3242HFSS软件求解条件设定32421设置激励方式32422边界条件设定33423求解设置33424设置检查和运行结果仿真3443天线的物理参数仿真优化35431振子臂长度LD35432微带馈线的宽度WF35433巴伦宽度WB3644最终优化结果37441物理参数优化值37442天线性能参数3845本章小结42第五章基于印刷偶极子天线的改进4351改进思路4352仿真分析4453优化参数及结果47531最终参数47532优化结果4854本章小结51第六章总结52参考文献53攻读学位期间公开发表的论文56致谢57RFID标签天线的设计与仿真第一章绪论1第一章绪论11无线通信的基本概念无线通信是利用电磁波（ELECTROMAGNETICWAVE）在空间的传播（PROPAGATION）特性进行信息传输与信息交换的通信方式1。微波是一种无线电波，发送的距离通常有几十公里且频带很宽，通信容量非常大。无线网络占用频率资源，其起源可以追溯到20世纪70年代夏威夷大学的ALOHANET研究项目，然而真正促使其成为21世纪初发展最为迅速的技术之一，则是1997年IEEE80211标准的颁布、WIFI联盟（以前称为无线网络标准化组织，WIRELESSETHERNETCOMPATIBILITYALLIANCE，WECA）互操作性保证的发展等关键事件。IEEE80211标准是无线网络发展过程中的重要里程碑，同时也是WIFI这一强大且公认的品牌发展的起点2。IEEE80211系列标准为设备制造商和运营商提供了一个通用的标准，使他们更关注于无线网络产品及业务的开发，它对无线网络的贡献可以与一些最基本的支撑技术相媲美。目前无线通信在世界各地都得到了快速发展，已经成为电信行业中发展最快、最活跃的领域之一。从蜂窝电话到无线局域网和个人域网，无线通信设备的普及程度几乎超过了任何工业产品。自20世纪90年代中期以来，我国在无线通信产业和科研方面的发展也大大加速。从开发生产第二代数字蜂窝系统产品到独立提出3G系统国际标准TDSCDMA，再到TDSCDMA开始大规模商用，充分说明我国在无线通信领域的发展令人瞩目3。12天线在无线通信中的作用天线在各种无线电技术设备中的作用基本上是相同的。任何无线电技术设备都是通过电磁波来传送信号的，天线的作用是用来发射和接收无线信号的，简单一点说就是杆与线的排列。无线发射装置传输的射频功率，通过馈线（电缆）输送到天线，天线将该射频信号转换为电磁波辐射出去。电磁波在空间传输到达接收地点后，由天线接收（仅仅有第一章绪论RFID标签天线的设计与仿真2很小的一部分能量被损耗掉），然后经由传输线送到无线接收机的处理部件。由此可见，天线对于无线通信的重要性。天线的用途很广泛，所有的无线通信方式都离不开天线，天线性能的好坏直接影响到无线通信的质量，如广播、电视、遥感玩具、手机通信、无线上网、物流快递跟踪服务、电子对抗等等。天线具有互逆性，同一个天线既起着发射信号的作用，又起到接收信号的作用，这也就是天线的互易定理。按照不同的分类方法，天线可以分成不同的种类。不同用途的天线，他们有各自的频段，比如手机频段一般为900MHZ、1800MHZ、1900MHZ三个频段，手机频道共计124个频道。天线在接收信号与发射信号中会有热损耗、介质损耗、感应损耗，因此输入天线的射频功率不能够全部转变成电磁波辐射出去，所以就需要信号放大装置来提高天线的增益，天线信息丢失越少，天线的效率越高4。13RFID天线的基本概念射频识别（RFID）技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID系统所采用的天线主要有两种标签天线和读写天线。环境不同，工作频率不同对于天线的特性参数也提出了不同的要求，但是对于无线芯片已基本趋于模块化了。RFID系统中，标签天线的设计要求考虑的因素最多，包括低损耗、高匹配性等技术问题和小型化、共型化、低成本等实际要求，所以标签天线的设计优化在整个系统中占有很重要的地位。鉴于上述技术和实际问题，一般的RFID系统多采用微带结构的天线。RFID技术相对于其他识别技术最大的不同点在于依靠发送无线电波来传送被识别物体的相关信息已达到识别的目的，其优点主要有实现非接触，识别距离长，能够快速地对待识别物体进行追踪识别和信息交换，RFID的有效识别距离范围很大，最小可以小于1厘米，最大甚至可以达到上百米5。随着RFID技术的快速发展，它在当代信息通信技术中的作用将会越来越大，是今后的热门技术之一。14电磁场数值计算在一个电磁系统中，电场和磁场的计算对完成该系统的有效设计是极其重要的。为了分析电磁场，我们可以从问题所涉及的数学公式入手，依据电磁系统的特性，拉RFID标签天线的设计与仿真第一章绪论3普拉斯方程和泊松方程只能适合描述静态和准静态（低频）运行条件下的情况，在高频应用中则必须在时域或频域中求解方程，以做到准确地预测电场和磁场在满足边界条件的一个或多个偏微分方程的解6。常用的计算电磁场问题的方法主要有两大类，一类是解析法，另一类是数值法7。这两类算法各自又包含若干方法且都有各自的不足之处解析法仅能解决很少量的问题。事实上只有具有简单边界条件和集合形状规则的问题可以采用分离变量发分析求解，但是更多的问题由于边界条件过于复杂用解析法往往求不出结果，分析的过程既困难又复杂。数值法是采用高性能的计算机直接以数值程序的形式代替解析形式来描述电磁场的问题7。在数值法中通常将微分替换为差分，积分替换为有限求和。这样，问题就转化为求解差分方程或者代数方程的问题。常用的分析方法有有限差分法（FDM）和有限单元法（FEM）。有限差分法（FINITEDIFFERENCEMETHOD）简称差分法，是以差分原理为基础的一种数值方法8。它把电磁场连续域内的问题变为离散系统的问题，即用各离散点上的数值解来逼近连续场域内的真实解，因而它是一种近似的计算方法。有限单元法（FINITEELEMENTMETHOD）简称有限元法，是以变分原理和剖分插值为基础的、求解数理边值问题的一种数值计算方法9，它可以用于任何微分方程描述的各类物理场，同样也适合于变场、非线性场以及复杂介质中电磁场求解。本文用到的HFSS软件采用的就是有限元法。15仿真软件简介当前，业界对天线仿真多使用以下三种软件CSTMICROWAVESTUDIO、ADS（ADVANCEDDESIGNSYSTEM）和ANSOFTHFSS（HIGHFREQUENCYSTRUCTURESIMULATOR）。CST是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件包，共包含七个工作室子软件，集成在同一平台上10。可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波算法。ADS也是一款广泛用于通信微波系统仿真软件，它的特点是不仅可以实现天线等微波工程的仿真还可以在时频、数模以及DSP上进行全程设计仿真，目前主第一章绪论RFID标签天线的设计与仿真4要用于国内外研发机构和高校。HFSS是一款由ANSOFT公司设计研发的三维高频结构电磁场仿真软件。它可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确方针计算天线的各种性能，包括二维、三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比、S参数等。HFSS具备仿真精度高、可靠性强、仿真速度快、性能稳定等特点。其自适应网格剖分技术使HFSS成为高频结构设计的首选工具和行业标准4。利用HFSS工具可以高效快速地设计各种结构，且只需画出结构图、定义材料性能、设置端口和边界条件就可以仿真包括射频和微波部件、天线和天线阵在内的各种结构。16本文主要工作本文主要工作是通过研究设计一个印刷偶极子天线，来分析天线的各方面性能，并且对该天线进行改进，使之可以工作在24GHZ和52GHZ两个频段。本文所做的主要工作有以下五个方面一、详细的学习关于微带天线的各方面的基础知识。二、深刻了解RFID当前的应用前景和所需天线的性能指标。三、熟悉普通对称振子天线的特性，提出一种借助于PCB板的微带贴片天线的结构，并对该种设计结构做详细的陈述。四、对提出的天线结构进行参数优化，使其工作在245GHZ即可以应用在无线局域网80211B24GHZ2483GHZ的系统中。五、在前文的基础上设计一款微带双频天线，使其能工作在24GHZ和52GHZ两个频段。本文的结构安排如下第一章为绪论部分，阐明了RFID天线的研究背景及意义，并简单介绍了几款仿真软件。第二章介绍天线的基本电参数以及微带天线的基本理论。第三章阐述了当前RFID系统的组成应用等方面的知识。第四章提出一种实现对称振子天线平面化的设想，并对提出的结构进行详细的仿RFID标签天线的设计与仿真第一章绪论5真分析。第五章为改进部分，根据第四章内容对传统印刷偶极子天线做结构的改变以实现双频段工作，从而良好的覆盖WLAN的24GHZ和52GHZ两个频段。第六章为结论与展望，对全文所有的工作做出总结，并提出本文中存在的不足和尚需研究的地方。第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真6第二章天线基础知识21天线基本知识天线（ANTENNA是将高频电流或波导形式的能量转换成电磁波并向规定方向发射出去或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流的一种设备。随着无线电技术特别是现代移动通信技术的飞速发展，对天线提出了更高、更新的要求，天线的功能也不断有了新的突破。除了完成高频能量转换外，天线系统还能对传递的信息进行一定的处理，例如单脉冲天线、自适应天线、多波束天线、智能天线以及MIMO技术等。天线的种类繁多。按用途的不同，可将天线分为通信天线、广播电视天线、雷达天线等；按工作波长的不同，可将天线分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线以及毫米波天线等；按极化特性的不同，可将天线分为线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线以及双、多极化天线等；按频带宽窄的不同，可将天线分为窄带天线、宽带天线以及非频变天线等；按工作原理不同，可将天线分为线天线和面天线。当然，天线还有一些其他的分类方法。研究天线的问题，就是研究天线所产生的空间电磁场分布以及由其分布所决定的天线的特性11。求解天线问题的实质，就是求解满足特定边界条件的麦克斯韦方程组的解。严格求解天线问题是非常复杂和困难的，因此，对具体天线问题往往将条件理想化，采取近似处理的方法来获得所需的结果。目前，随着计算机仿真软件的不断涌现，人们往往依靠电磁仿真软件进行辅助分析、设计，从而可以更准确地处理天线问题。为便于分析和研究，一般把天线按其结构形式分为两大类一类是半径远小于波长的金属导线构成的线状天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线。线状天线主要用于长、中、短波频段，面状天线主要用于厘米或毫米波频段；甚高频段一般以线状天线为主，而特高频段则线、面状天线兼用。线状天线和面状天线的基本工作原理是相同的。RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识722天线的基本电参数221天线的方向性天线的方向性是指天线在空间方向上辐射的电波能量是不均匀分布的，对于任何一个天线而言，无论是复杂的还是简单的结构，电基本振子或者磁基本振子都具有方向性。人们为了很好的对天线的方向特性进行描述定义了下面几个电参数辐射方向图，方向函数，主瓣宽度，旁瓣电平，方向系数1、天线的方向函数研究天线的辐射特性一般是远场区的辐射特性，该特性的变化随空间坐标的变化而变化，辐射特性主要有以下几点场强，相位或极化。其中场强或功率的空间分布是天线的辐射特性最重要的参数。图21是求解天线辐射特性的一般坐标系即球坐标系示意图。图21球坐标系示意图功率方向图是功率通量密度发生变化形成的曲线。设,S和,E分别为,方向的功率通量密度和电场强度，归一化的功率函数,P和归一化的场强函数,F分别定义为（21）和（22）,MSPS（21）第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真8,MEFE（22）其中式中MS是功率通量密度，ME表示场强的最大值。根据以上两个公式可以得到2,PF（23）2、天线的主瓣宽度和旁瓣电平天线的方向图一般用三维空间的立体图来表示，由于三维立体图绘制比较困难，工程上一般用E平面和H平面表示，两个平面互相垂直。E平面与电场矢量平行且通过最大辐射方向，H平面与磁场矢量平行也通过最大辐射方向。主瓣是天线方向图中最大的波瓣，除主瓣之外的叫副瓣，也叫旁瓣。后瓣是与主瓣相反方向的副瓣。具体见图22图22三维和二维极坐标方向图3、天线的方向系数方向系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数。因此，它是一个大于等于1的无量纲比值，用D表示。其运算公式（24）0SINSIN2JKRIDEJKLZEDZR（24）其中2,F是天线在,处的归一化场强函数。RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识9在最大辐射方向,1F时，最大辐射方向的方向系数为22004,SINDFDD（25）天线方向系数定义为天线在其最大辐射方向上功率强度与无方向性天线辐射功率强度的比值，反映了天线向某一特定方向辐射能量的能力。222天线的效率与增益1天线的效率天线的辐射效率表征天线能否有效的转换能量，定义为天线的辐射功率与输入到该天线上的功率之比，用A表示，它描述天线利用功率的情况。1AIPPPPP（26）其中P是辐射功率，IP是输入功率，1P是欧姆损耗功率。一般而言，由于天线与馈线两者之间不匹配的原因导致天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不等，馈线传送给天线的净功率由馈线在连接天线处的入射功率减去天线的反射功率而得到。天线的输入功率是天线的辐射和损耗两功率总和，即1IPPP（27）因此，天线的效率也可以表示为1111APRPPR（28）其中，1R为损耗电阻，R为辐射电阻。所以天线的效率与辐射电阻的大小成正比，与损耗电阻成反比。2天线的增益天线的增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真10一点处所产生的信号的功率密度之比12。增益系数是综合衡量天线效率和方向特性的参数,增益G被定义为方向性系数乘以天线效率。公式表示如（29）,4AAUGDP（29）其中,U表示天线在空间位置为,的电场强度。223天线的输入阻抗天线的输入阻抗一般情况下由电阻和电抗两个部分组成，当天线输入的电压值和电流值同相时天线的输入阻抗表现为纯阻性，并且当输入阻抗等于馈线的特性阻抗时，这时馈线的反射功率最小为0，达到阻抗匹配。根据电路理论可知，天线的输入阻抗定义为212AAAAAPZRJXI（210）其中,AP是天线的输入功率，AI为天线的输入电流，AR为天线的输入阻抗实部，AX为天线的输入阻抗虚部。天线本身的结构，天线的工作频率，天线的工作环境对天线的输入阻抗影响较大。224天线的带宽天线带宽是指天线在某一段工作频率，在这段频段中天线的某个或某些性能参数满足要求。天线带宽的两个主要影响因素是（1）天线的频率特性（2）对天线提出的参数要求。一般而言，天线的各个参数都是跟随着频率的变化而变化，因此天线的应用场合不同，天线的带宽要求也不一样。天线电参数主要有方向图带宽，方向系数带宽，输入阻抗带宽，馈线行波系数带宽。（1）方向图带宽主要用来描述天线的方向特性。RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识11（2）方向系数带宽表示方向系数的值不小于某一个固定值所对应的频率范围。（3）输入阻抗带宽随着频率发生变化天线的输入阻抗也跟随着发生变化。在输入电压不变的前提下，电流跟随着频率而变化，因此可以得到输入阻抗带宽。（4）馈线行波系数带宽在该频率范围中的行波系数达到要求。225天线的极化天线的极化是描述电磁波电场矢量的方向和相对幅度的时变特性,也可以被描述为瞬时电场矢量在一个周期内所描绘的轨迹13,是天线的又一项重要参数。当电场矢量所描绘的轨迹在一个周期内是直线的时候就称为线极化。如果轨迹是圆则称为圆极化，椭圆极化的电场矢量矢端轨迹是椭圆。其中线极化有垂直极化和水平极化之分，圆极化有左旋和右旋圆极化，椭圆极化同样也存在左旋和右旋椭圆极化。其中左旋极化是电场矢量绕传播方向左旋变化，右旋反之。以下是天线的极化示意图A线极化（B）圆极化或者椭圆极化（C）椭圆极化图23天线的极化方式值得注意的是当来波的极化方向与接收天线的极化方向一致的时候，在接收过程中效率才会最高，否则会产生极化损耗，降低天线的接收效率。正因为天线在接收过程中具有的同极化特性，在RFID天线设计中标签天线与读写器天线的极化特性的匹配是很重要的。在RFID系统中要求阅读器天线能够读取任意方向摆放的标签的信息，这就为读写器天线提出了特殊要求，最好为圆极化方式。第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真1223对称振子基本知识231对称振子简介对称振子天线是一种经典的、使用较广泛的天线，特别是半波对称振子天线。单个半波对称振子可单独使用或者作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成各种天线阵14。对称振子顾名思义两臂长度相等，而总长度为二分之一波长即每一只臂长度为四分之一波长的对称振子称为半波对称振子,如图24。另外，还有一种对称振子是将全波对称振子折叠成一个窄长的矩形框而形成的称为异型半波对称振子。异形对称振子的两个端点相叠，整个窄长的矩形框称为折合振子，而他之所以称为斑驳折合振子是因为该矩形框的长为半波长度而非边长,如图25。图24半波对称振子结构RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识13图25半波折合振子结构232对称振子电流分布如图26所示，对称振子天线由两根长度均为L的细导线构成。图26对称振子天线由于中心馈电，所以在振子两臂上的电流是对称的，且呈正弦分布，并在上、下端点趋近于零，振子上的电流分布可表示为0SINIIKLZ211第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真14式中Z为Z轴坐标的绝对值，0I为电流幅值，L为振子长度的一半。不同长度的对称振子上的电流分布如图27所示。/23/43/2图27对称振子的电流233对称振子辐射场如图26所示，在振子上距对称原点为Z处取一长度元DZ，当DZ足够小时，DZ上流动的电流均匀分布且相位相同，可视IDZ为一个电偶极子，其远区辐射电场为0SINSIN2JKRIDEJKLZEDZR212在RL的情况下，射线R与R在振子附近可视为平行的射线，因此COSRRZ213在远区，由于R和R的值差别极小，因此在式212的分母中，可用R代替R，但在相位项中R与R的微小差距将会引起较大的相位差，因此必须考虑式213给出的近似关系。故式212变为COS0SINSIN2JKZJKRIDEJEKLZEDZR214对式214进行积分得到COS0SINSIN2LJKZJKRLIEJEKLZEDZR0COSCOS00SINSINSIN2LJKRJKZJKZLIJEKLZEDZKLZEDZR215利用积分公式22SINSINCOSAXAXEEBXCDXABXCBBXCCABRFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识15得到对称振子天线的辐射电场0COSCOSCOS2SINJKRIEKLKLEJR216同理，可获得对称振子天线的辐射磁场0COSCOSCOS2SINJKRIEKLKLHJR217可见，对称振子天线的方向性函数为COSCOSCOS,SINKLKLF218图28给出了四种不同长度的对称振子天线的方向图。A212LB21LC232LD22L图28对称振子的方向图24微带缝隙天线的基本知识微带天线的概念早在1953年就由GADESCHAMPS提出15，但在之后的20年中只有第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真16少量的研究，直到20世纪70年代初，HOWELL和MUNSON研究设计出了最早的实际的微带天线。而缝隙天线与微带天线一样，最早也并没有引起人们的注意，尽管它的概念早在1946年就由HGBOOKER提出。到了1972年，YYOSHIMURA提出了微带馈电缝隙天线的概念并且以中心频率为10GHZ进行了缝隙天线的研究16。1986年，一种互易理论被提出人们开始用这一理论来分析缝隙耦合并印制缝隙天线。到了九十年代末，倾斜偏中心馈电的微带缝隙天线网络模型等成为具有代表性的研究成果。人们对微带缝隙天线的研究进入了一个新的阶段。而缝隙天线也显露出了它的诸多优点，如可以在覆铜介质板上用标注光刻技术进行加工生产以降低制造误差；辐射单元与馈电网络相对分离，降低了天线的馈电对辐射特性的影响；方便与载体共形，安装在快速飞行物体表面隐蔽且不会带来额外的空气阻力从而不影响物体的运动17。由于缝隙天线既可以很容易地通过同轴电缆馈电又可以用波导实现朝平板单侧辐射，还能够在波导壁上切割波导缝隙列阵，诸多优点使得该天线在当今社会得到了广泛的发展与应用。241微带缝隙天线的基本结构微带天线常见的四类是1微带贴片天线（2）微带振子天线（3）微带行波天线（4）微带缝隙天线10。（1）微带贴片天线主要由三部分构成介质基板，在介质基板一面的导电贴片一般形状为矩形、圆形、三角形和五边形等和基片另一面上的地板。图29微带贴片天线结构（2）微带振子天线是微带贴片天线的特殊形式，即把微带贴片天线中的导电贴片换为薄片振子，该振子为窄长条形。在此变化之后微带贴片天线就成为微带振子天线。RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识17图210微带振子天线一般结构（3）微带行波天线（也被称为微带线形天线）是由介质基板，链形周期结构或普通的长TEM波传输线和地板三部分组成。图211微带行波天线一般结构（4）微带缝隙天线（也被称为微带开槽天线）是在导体表面上开缝（缝隙可以是矩形、圆形或环形）形成的天线。由微带线或带状线激励产生能量的辐射。由微带线，介质基板和开缝的接地板组成。第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真18图212微带缝隙天线一般结构242理想缝隙天线的分析方法与工作原理如图210（B）所示，在一个无限大（薄）的金属平板上开一条矩形窄缝（2DL），在缝隙表面存在正弦电场分布（由X0区的辐射场为COSCOSCOSSINJKRMMEMMMJEDKLKLEHJEEER225011COSCOSCOSSINJKRMMMEMMEMMMJEDKLKLHBDJEEJEEHR226从上面的式子我们可以看出，理想（对称）缝隙天线与对称振子辐射的方向性相同，只是两者的E面与H面互换位置。工程上采用半波对称缝隙天线，其定义为2/2L。243平板（对称）缝隙天线当图213（B）中的金属平板尺寸有限时，即构成了平板（对称）缝隙天线。此时缝隙的辐射特性较理想缝隙有明显的变化。具体的结论是参考文献18。沿缝隙长边（图213Z轴方向），金属板尺寸变化对辐射的影响较小；沿窄边方向（图213Y轴方向），金属板尺寸变化对辐射的影响较大。其原因是，沿Z轴方向无辐射，而沿Y轴方向有最大辐射。一般来说，在分析具体的平板缝隙的辐射特性时，总是在理想第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真20缝隙的基础上做某些修正而得到近似结果，再经实验验证后使用。25双频天线的基础知识随着现代无线通信技术与无线局域网技术的飞速发展，已有频段变得越发拥挤，急需增加新的频段，但由于要兼顾到系统的兼容性，于是能同时工作在两个或多个频段的微带天线成为近年来的研究热点。目前实现双频或多频的基本方式归结起来有以下几种1采用单一贴片通过几种不同的激励模式（如矩形贴片的10TM和01TM模）来实现双频或者多频工作。也可以通过加载或开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率发生变化，最终实现双频或者多频工作。本文就是通过开槽的方法设计了一款印刷偶极子天线并使之能良好的覆盖WLAN的24GHZ和52GHZ两个频段。2采用单层基片、多个贴片的结构可以采用谐振频率不同的贴片形成双谐振19，也可以用多个辐射单元构成多频点谐振的微带天线等。3采用多层重叠贴片结构如利用多层贴片结构形成多个谐振器从而产生多频段工作特性。251单层贴片双频实现方法因为多层贴片工艺复杂容易造成天线加工困难因此单一贴片的多频天线被广泛应用在多个领域。常见的双频实现方式可以分为两种，一种是通过馈电结构的调整来改变天线表面的电流分布，从而激发正交的谐振模式，另一种是采用电抗性加载贴片实现双频。其中馈电结构调整又分为三种方式偏置的同轴馈电；缝隙耦合馈电；双馈电。电抗性加载贴片又可分为两种方式短路结构实现；贴片辐射边沿接入延伸或开槽/开缝实现RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识211、馈电结构调整实现双频偏置的同轴馈电偏置的同轴馈电结构可用单一的同轴馈电实现，馈电点位于矩形贴片的两边匹配轴的交点。如文献20，这种馈电方式下的匹配效果几乎等效于同一贴片单独沿两条正交的匹配主轴馈电的情况。模型可见下图图214采用偏置同轴馈电的正交模式双频矩形微带贴片天线缝隙耦合馈电单一馈电双匹配的功能也可以通过缝隙耦合来实现。耦合槽可以看成是对于微带馈线小角度地倾斜。槽的长度和倾斜的角度可以通过投影到两个正交方向上来求得近似值。两个投影可以看成是激励两个不同极化的两条等效槽。探针单馈缝隙单馈图215单馈电结构图双馈电由于正交的模式可以用不同的单独激励产生，因此双馈电就是在矩形贴片上通过第二章天线基础知识RFID标签天线的设计与仿真22两个正交的同轴馈电端口激励起两个模式，实现双频。图216双馈电磁耦合2、电抗性加载贴片实现双频短路结构实现短路实现就是在贴片与接地板间加短路探针来改变100TM或者高次模的谐振频率。在微带贴片天线上加载短路探针同时在高次模最小值的地方加短路针能引起该模式谐振频率的强烈扰动而100TM模不受影响21。但是这么做也有缺点，虽然通过增加短路针的数目获得了较大的双频比可受扰动后的高次模的辐射方向图被旁瓣影响，另外，因为电抗性加载使天线的Q值变大从而造成天线阻抗带宽降低。贴片辐射边沿接入延伸或开槽/开缝实现要想获得双频特性，最简单的方法就是在贴片的辐射边上接上一段延伸段，或者在贴片上刻槽/缝。其中在辐射边上接一延伸段相当于引入了激励第二谐振频率的谐振长度。而在贴片上开槽/缝则是通过缝的加载使贴片的谐振模式发生变化，从而激发另一个谐振频率实现双频。RFID标签天线的设计与仿真第二章天线基础知识23图217电抗性加载贴片天线第三章RFID技术及其天线设计分析RFID标签天线的设计与仿真24第三章RFID技术及其天线设计分析随着无线射频识别技术RFID的发展，RFID技术的应用已经变得越来越流行，像物流控制，库存管理以及生物工程等各个领域。随着现代社会供应链的快速发展，面对一个巨大的潜在市场，无线射频识别系统将会受到越来越多的关注。与已有的一些识别技术相比，RFID具有显著的优点，像识别速度快，方法灵活，智能化程度高，尤其是它可以在各种复杂的环境中完成识别任务等优点备受青睐。RFID系统主要由电子标签，读写器，应用系统三部分组成。RFID应用频段有125KHZ，1356MHZ，866869MHZ，902928MHZ，245GHZ频段以及58GHZ频段。使用频率较低的频段的系统优点是成本较低，但是这些系统的数据传输速率低，识别距离短。相反，使用在高频频段的RFID系统具有较高的数据传输速率以及设识别范围，但是成本相对较高。此外，当RFID系统的频率上升到微波波段时天线的设计变得更加尖锐22。但是微波波段的天线具有一些显著的优点，如成本低，方便加载等越来越被天线研究者关注。31RFID系统311RFID系统的工作原理RFID技术是一种将射频信号通过空间耦合（即交变磁场或者电场）来达到无须相互接触就能传输信号，并借用所传的信息达到对静止、移动物体识别的技术23。RFID系统一般含以下三个组成部分电子标签，读写器，应用系统。RFID系统的工作过程如下读写器借助天线发送射频信号；当装有RFID标签的待识别物体进入读写器天线的磁场中，通过电磁感应天线会有感应电流产生，同理待识别物体所带的识别标签通过磁场时感应到能量从而被激活同时借此能量读写器天线发送出带有自身信息的编码；读写器接收到带有待识别物体信息的信号，信号处理模块通过解调和解码等方法处理信息并将处理完的信息传输到计算机主机；计算机系统根据自身的已有处理规则处理接收到的信号同时发出与之对应的指令信号。RFID标签天线的设计与仿真第三章RFID技术及其天线设计分析25图31系统原理图在RFID系统中，读写器与标签天线主要通过电感耦合和电磁波反向散射耦合两种方式还进行功率的传输24。这两种耦合方式根据电磁波和射频天线的性质不同又被称为近区场耦合与远区场耦合两种。312RFID系统组件与分类3121RFID系统组件RFID系统通常由电子标签（其中标签天线集成在电子标签内部），读写器，应用系统三部分组成。基于物流信息化的RFID系统组成框图如下图32RFID系统组建结构图3122RFID系统分类第三章RFID技术及其天线设计分析RFID标签天线的设计与仿真26RFID系统根据不同的标准有不同的分类方法，主要有按照频率的不同分类，按照电子标签工作方式的不同，按照电子标签供电方式的不同以及读写器与标签天线之间的工作原理的不同分为四类11。1按照频率的不同分类射频识别系统所处的工作频段是其最主要的特征之一。RFID系统的工作频率不同，射频识别系统工作原理，有效识别距离，系统的复杂度以及设备的成本等都会随之改变。RFID阅读器根据发送的频率不同大概可以将RFID系统划分为三中类型低频从125KHZ到134KHZ、高频（工作在1356MHZ频段、超高频工作在860MHZ960MHZ频段和以及微波频段245GHZ和58GHZ。2按照电子标签工作方式的不同分类电子标签根据不同类型存储器有以下几种包含ROM，RAM，缓冲存储器和非活动的可编程的可读写标签25，一旦初始将信息写好之后信息不能修改的WORM标签和只有ROM和RAM两中存储器的只读标签。3按照电子标签供电方式的不同分类RFID系统按照供给电子标签能量不同的方式可分为无源系统，有源系统以及半有源系统，与之对应的电子标签分别是被动标签PASSIVETAG、主动ACTIVE标签和半主动SEMIACTIVE26。4按照读写器与标签天线之间的工作原理的不同分类RFID系统根据不同的通信形式可以划分为三种，分别是半双工，全双工与时序系统。同时根据读写器和标签天线的工作机理不同又可分为电感耦合与电磁场反向散射耦合雷达原理系统。32RFID标签天线的设计分析RFID标签性能的关键在于标签天线的特点和性能。天线在标签与阅读器数据通信过程中起关键作用，一方面，当电路开始工作时，需要由天线在阅读器产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了标签与阅读器之间的通信方式和通信信道。因此，标签内部天线的研究就成为了重点。RFID标签天线的设计与仿真第三章RFID技术及其天线设计分析27RFID标签有时需要附着在不同的类型、不同的形状的物体表面，必要时还可能要嵌入物体内部使用。RFID标签不仅要求具有较低的成本，还需要有高可靠性。除此之外，标签天线和读写天线还必须承担起接收和发射能量的作用，等等这些因素对天线的设计提出了严格的要求。当前对RFID天线的研究主要集中在研究天线结构和环境对天线性能的影响方面。对于工作在超高频以上频段的RFID系统而言，标签和阅读器工作时就相当于一组无线发射机和接收机。无线发射机传输的射频功率，经由传输馈线输送到发射天线端，天线再以无线电波的形式将其辐射出去。电磁波在空中传输到达接收地点以后，无线电接收机的接收天线将无线电信号接收下来，再经由传输馈线送到接收机。因此对于需要以无线电波形式相互通信的设备而言，天线极其重要。从功能上来说，天线是一种将线路上流过的高频电流高效率地转换成电磁波辐射到空中去的装置，或者是将空中的电磁波高效率转换成高频电流的装置27。RFID天线制作技术主要有蚀刻法、线圈绕制法和印刷天线三种22。其中RFID导电油墨印刷天线为近年来发展的一种新技术。蚀刻法也称为减法制作技术，因为其精度高，特性能够与读写器的询问信号相匹配，同时在天线的阻抗、应用到物品上的射频性能等都很好，因此应用较广，但是它的缺点就是成本太高。利用线圈绕制法制作RFID标签时，要在一个绕制工具上绕制标签线圈并进行固定，此时要求天线线圈的匝数较多典型匝数501500匝。这种方法用于频率范围在125134KHZ的RFID标签，其缺点是成本高，生产速度慢。印刷天线是直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路，形成天线和电路，又叫添加法制作技术25。主要的印刷方法已从只用丝网印刷扩展到胶印、柔性版印刷、凹印等制作方法，较为成熟的制作工艺为网印与凹印技术。印刷技术的进步及其进一步应用于RFID天线的制作使RFID标签的生产成本降低，从而促进了RFID电子标签的应用。印刷天线本身与蚀刻天线、绕制天线相比，具有以下独特之处281、印刷天线制造可更加精确地调整电性能参数，将卡片使用性能最佳化。第三章RFID技术及其天线设计分析RFID标签天线的设计与仿真282、印刷天线制造可以任意改变线圈形状，以适应用户表面加工要求。3、印刷天线可使用各种不同卡基体材料。4、印刷天线制造适合于各种不同厂家提供的晶片模块。标签天线主要分为三大类线圈型、偶极子型和微带贴片型22。线圈型天线是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁芯上；偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，天线的长度决定频率范围13；微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的。识别距离小于1M的中低频近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线。识别距离大于1M的高频或微波频段的远距离应用系统需要采用偶极子和微带贴片型天线。321天线必须具备的要求（1）体积足够小，满足粘附在物体表面的条件；（2）方向性为全向或半球覆盖辐射；（3）足够大的增益，能提供尽可能大的信号给芯片；（4）圆极化，无论物品是什么方向，都能良好地与阅读器通信；（5）具有鲁棒性；（6）成本低廉，适于批量生产和普及使用。322系统和天线之间的匹配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。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻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29。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。RFID标签天线的设计与仿真第三章RFID技术及其天线设计分析29驻波比它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于15，但实际应用中VSWR应小于12。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0DB到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越小表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。33设计天线的指标要求如前22节所述，研究天线要从输入阻抗即匹配、辐射方向图、带宽、增益等方面分析。本文中的天线预定设计目标为2、工作频点驻波比小于20；3、H面辐射方向为全向辐射；4、10DB带宽大于83MHZ即工作频段为245GHZ2483GHZ；5、增益平稳，频带内大于1DB。第四章印刷偶极子天线仿真分析RFID标签天线的设计与仿真30第四章印刷偶极子天线仿真分析关于天线的仿真软件，前文已经简要的介绍了ADS、CST和HFSS三种，本文使用HFSS来设计和分析天线的相关问题。41印刷偶极子天线的结构设计本文研究的印刷偶极子天线与立体的偶极子天线具有相似的结构，是将立体偶极子平面化，其结构如图41。图41印刷偶极子天线结构图该结构的等效电路图如图42所示LGRFID标签天线的设计与仿真第四章印刷偶极子天线仿真分析31图42印刷偶极子天线等效电路图鉴于偶极子天线的平衡特性和馈电（同轴馈电）的不平衡性30，本文采用巴伦结构来扼制同轴馈电传输线外皮的高频电流从而达到馈电传输线和天线之间的平衡转换。其次此巴伦结构还具有调节天线和馈电传输线之间的阻抗匹