UHF雙饋點微帶陶瓷天線仿真及設計

王震宇 劉瑜安徽大學電子信息工程學院

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UHF雙饋點微帶陶瓷天線仿真及設計

王震宇 劉瑜
安徽大學電子信息工程學院

摘要：隨著物聯網射頻識別技術快速發展，低剖面天線被廣泛運用在高性能閱讀器中。文章介紹了微帶天線的分析方法，并采用HFSS仿真軟件設計并加工了以922.5MHZ 為中心頻點的陶瓷天線，通過雙饋點技術實現天線圓極化。研究表明該陶瓷天線可以運用在UHF-RFID閱讀器中。

關鍵字：微帶天線 HFSS 仿真 雙饋點

1　引言

射頻識別RFID（ Radio Frequency Identification）技術是物聯網關鍵技術之一。通過電磁波信號識別特定目標上的電子標簽并讀寫相關數據，無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸的一種無線通信技術。隨著射頻識別技術的快速發展，閱讀器的體積被做得越來越小，而影響體積的重要因素之一是其中的天線體積。一般微帶天線是由表面貼片、介質基板、接地板所構成。通過微帶線或者同軸探針饋電。盡管微帶天線概念可以追溯到1953年，然而直到1970年才被開始廣泛關注。由于其具有低剖面、易于安裝在平面或者非平面表面、結構簡單、生產成本低廉、機械強度大等優點被廣泛運用在RFID系統中。本文根據微帶天線的分析方法，采用HFSS仿真軟件對設計并加工以921MHZ 為中心頻點的陶瓷天線，由于陶瓷天線實現圓極化的方法很多，例如單饋點通過切角、縫隙法；多饋點法。本文采用雙饋點實現圓極化。并可以在RFID閱讀器中很好的工作。

2　微帶天線參數分析

利用傳輸線理論，估算微帶天線的特性參數。選擇相對介電常數εr=21.8高度為4.8mm 的陶瓷。仿真的陶瓷天線中心頻率為921MZH 。因為微帶線介于空氣和介質板之間，因此有效介電常數εreff 會在1～εr 之間變化。

3　HFSS仿真建模

HFSS是美國Ansoft 公司開發的一款采用熟悉的Windows操作界面，高性能全波電磁場對任意3D無源模型進行精確仿真軟件。它集合了仿真、可視化、實體建模和自動化功能，可以快速、準確的解決三維電磁場問題。Ansoft HFSS利用FEM（Finite Element Method）有限元法，自適應網格剖分技術和可視化圖像，可以計算參數例如S 參數、諧振頻率和場。

HFSS可以為天線設計提供全面的解決方案，使用HFSS可以仿真分析和優化設計各類天線，精確計算天線的各種性能，包括二維、三維遠場和近場輻射方向圖、天線的方向性系數、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、VSWR 、S參數以及點亮分布特性。在HFSS中按照計算結果進行建模，輻射貼片尺寸為34mm*34mm ，介質板尺寸為39mm*39mm ，地板尺寸為50mm*50mm ，空氣盒子尺寸為212.5mm*212.5mm*173.5mm，同軸探針圓心坐標為（3.4，0，0） 半徑為0.6mm。添加材料ceramic，相對介電常數為21.8 ，將介質板設為ceramic。表面貼片和地板設置為PerfectE ，空氣盒子設置為輻射邊界條件。設置求解頻率為922.5MHZ和掃頻范圍0.8GHZ-1.5GHZ。

4　雙饋點圓極化

天線的極化方式是根據電磁波傳播過程中，電場終端所形成的軌跡而定義的。假設X 方向電場強度為Y方向電場強度為而總電場是各分量的矢量和。總電場強度終端軌跡是圓。只要使得進入這兩個饋點功率相等相位相差90°即可實現圓極化。

5　結論

雙饋點陶瓷天線的帶寬比單饋點更寬，可以達到8MHZ ，并且比單饋點更易實現圓極化。該天線運用在UHF-RFID閱讀器中效果顯著。