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RFID标签天线HFSS建模与仿真


本科生毕业设计(论文)正文

(2012 届始执行)

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RFID 无源标签天线研究与设计





在 21 世纪,信息及无线电技术快速发展,人们对自动控制、 监控、 追踪以及数据分析提出了更高 的需求。射频识别技术是一种不需

要互相接触的自动识别技术,它通过高频无线电信号自动识别目 标物体并获取相关所需要的数据。 射频识别技术因具有诸多优良特性而被广泛运用于很多领域。 近几 年来,射频识别理论及其天线的设计方法有了很大的发展。 本文概述了射频识别系统的组成及其天线的基本工作原理,在分析标签天线主要参数的基础上 , 设计了谐振频率在 915 兆赫兹的附着在基板上的半波对称偶极子以及折叠偶极子天线。本文利用 Ansoft 公司的高频结构仿真软件 HFSS,进行建模、仿真和优化并记录了标签天线的基本设计过程。 本文所设计的标签天线,经过仿真、优化后的参数满足任务书要求。

关键词:RFID 系统, 标签天线,UHF,HFSS 软件

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STUDY AND DESIGN OF THE RFID TAG ANTENNA

ABSTRACT
In the 21st century, with the rapid development of information and radio technology, it has in high demands of automatic control,monitoring. Tracking and data analysis. RFID technology is an automatic identification technology that does not require contact with each other through the high-frequency radio signal, it automatically identify the target object and the need to obtain the relevant data. RFID technology has many excellent features and is widely used in many fields. In recent years, the theory of radio frequency identification and its antenna design method has been greatly developed. This article outlines the basic working principle of the composition and the antenna of the radio frequency identification system. On the basis of the analysis of the main parameters, a half-wave symmetry dipole and a folded dipole antenna working at the resonant frequencies of 915 MHz are designed on the FR4 substrates. In this paper, the high-frequency structure simulation software HFSS is used for modeling, simulation and optimization in the tag antenna design. Simulation results show that the Tag antenna design meet the basic requirements of the task.

Keywords: RFID, Tag Antennas, UHF, HFSS Simulation software

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第一章 绪 论.................................................................1 1.1 引言................................................................1 1.2 课题背景及意义......................................................1 1.3 国内外研究现状......................................................2 1.4 毕业设计的主要工作及论文章节安排....................................2 第二章 RFID 标签天线相关原理及技术............................................4 2.1 射频识别系统.........................................................4 2.2 天线原理.............................................................4 2.3 RFID 标签天线的分类..................................................5 2.3.1 线圈天线............................................................5 2.3.2 缝隙型天线......................................................6 2.3.3 偶极子天线......................................................7 第三章 UHF 频段 RFID 无源标签天线的设计........................................8 3.1 设计要求............................................................8 3.1.1 阻抗匹配.......................................................8 3.1.2 最大工作距离....................................................9 3.2 设计思路..............................................................9 3.3 标签天线结构设计...................................................10 3.3.1 半波对称偶极子天线的结构设计..................................10 3.3.2 弯折偶极子天线的结构设计......................................10 第四章 UHF 频段 RFID 无源标签天线的电磁建模与仿真.............................11 4.1 电磁仿真软件.........................................................11 4.2 建模与仿真...........................................................11 4.3 结果分析.............................................................18 第五章 总 结................................................................23 参考文献....................................................................24 致 谢......................................................................25

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第一章 绪论

1.1 引言
射频识别技术是一种通过高频电磁破实现物体识别的无线电技术。 这项技术最初在二十世纪四十 年代应用于军事领域。一个完整的射频识别系统由射频识别阅读器,射频识别标签和射频识别软件 系统三大部分组成[1]。 其中属于消耗品的射频识别标签使用量巨大。 射频识别标签具有体积、 容量、 阅 读距离方面拥有诸多优良特性[2]。RFID 技术已经被世界公认为二十世纪十大重要技术之一,并在各 大行业领域体现出广阔的应用前景。

1.2 课题背景及意义
“物联网”被 IT 界普遍认为是继电脑、 互联网之后的掀起的第三次信息革命的浪潮。 “物联网” 主要基于射频识别技术。它是将射频识别装置依附到物体上,利用高频电磁波技术,在不同物体之 间实现传播感测到的信息。 目前,被广泛使用的识别技术有条形码技术、 磁条识别技术、 光学识别技 术、 声音识别技术、 视觉识别技术、 以及射频识别技术,各种识别技术的比较如表 1-1 所示。 通过对该 表中各项性能指标的比较可以看出,相比其他识别技术, RFID 技术具有,RFID 技术标签具有读取 距离大、 操作快捷方便,标签上数据可加密、 存储数据容量大、 受环境影响小等许多突出的优点[18]。 表 1-1 各种识别技术的比较

标签天线在整个 RFID 系统 中起到 了 至 关 重 要的作用,因 此 本课题 选择 了标签天线的设计 。 RFID 系统的 RFID 标签由标签芯片和标签天线两部分构成。其中标签芯片存储着用来表示该标签所 附着物体信息的唯一识别代码,而标签天线则起到了接收阅读器照射信号,将照射波束能量经高频 整流后对标签 IC 供电,以及反射调制信号等作用。 电子标签天线作为射频识别系统中不可或缺的重 要一环,其设计、生产、测试等均是未来研究的主要内容之一[5]。 射频识别标签按工作频段可划分为低频(LF) ( 125 或 134.2 千赫)、高频(HF) (13.56 兆赫)、超高频 (UHF) (868 到 956 兆赫)和微波(2.45GHz)等不同种类,RFID 分类以及相关应用见表 1-2。不同频 段的射频识别标签的工作原理不同: LF 和 HF 频段 RFID 电子标签一般采用电磁耦合原理,而 UHF 及微波频段的 RFID 一般采用电磁辐射原理。 在阅读距离方面,UHF 频段读取距离较其他频段远[4]。
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表 1-2 RFID 分类以及相关应用

总的来 说,超高频段读取距离比较远,其中无源超高频阅读距离可达 10m 左右,被主要应用物流和供应 链管理上。综上分析,本文选择的超高频频段的射频识别无源电子标签的课题拥有有较广的应用范 围以及广阔的发展前景。

1.3

国内外研究现状

现阶段,各个国家都在积极推进射频识别技术的发展。 美国的射频识别技术较为成熟。 美国采用 的射频识别技术标 准为 Auto-ID Center ,它由 EPC(电子产品代码)环球协会 领导,该协会 主导 EPC global 标准的编码体系。 欧洲在 RFID 与物联网的标准、 法规等方面建立起国际协作平台,采取 EAN 产品标准组织,并开放了 865MHz~868MHz 频段。 日本是以智能化应用为基础推动本国射频识别的 应用。 日本于 2005 年规定 952MHz~954MHz 为射频识别使用频段。 韩国政府对射频识别给予高度重 视,但在 RFID 标准上仍模糊不清。无线频段为 900MHz 附近[3]。 在国外,RFID 技术的研究历史较长,可以检索到大量国外专利。 在标签天线小型化方面,国外的 一些公司已经取得了很大突破。 分形天线、 电磁带隙结构、 园极化微带天线等新型射频识别标签天线 在国外也有很大的发展。 在国内,由于射频识别技术起步比较晚。 国内专利较少。 在自主研发的专利 中,又以应用方面的专利为主,技术类型的专利很少。 20 世纪 90 年代,国内几家公司引进国外技 术,开发了自己 RFID 系统。国内对 RFID 天线的研究主要是电感耦合型的 RFID 天线,对反射调制 的天线研究较少[7]。 近几年来,在我国政府的大力推动下,射频识别技术处于迅速发展阶段。 但在标 准和核心专利方面依旧相对匮乏。跟发达国家相比,我们国家的射频识别技术产业链尚不完整,还 没有形成统一的国内标准。我国的 RFID 技术的使用频率是 840MHz~845MHz,920MHz~925MHz 和 800MHz/900MHz[6]。

1.4

毕业设计的主要工作及论文章节安排

本次毕业设计主要工作包括,通过对天线理论的学习,设计一个谐振频率在 915 兆赫兹的无源 附着在 FR4 基板上的弯折对称偶极子标签天线, 按照任务书要求对其结构进行调整优化,对其参 数和仿真结果进行分析。本次设计首先对半波对称偶极子的尺寸进行计算,然后把具有理论尺寸的 天线在 HFSS 下进行建模设计和仿真,在仿真结果满足要求的 情况下再 基于厚度为 1.6mm 的 FR4 基板材料对偶极子天线进行设计与仿真,对天线的尺寸进行调整以保持谐振频率不变。在调整好尺 寸且仿真数据符合要求的情况下,对弯折偶极子天线进行设计与仿真,以满足小型化的设计要求。 RFID 标签天线原理及技术、 UHF 频段 RFID 无源标签天线的设计、 UHF 频段 论文章节分为绪论、 RFID 无源标签天线的电磁建模与仿真和总结,共五章。
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第一章主要介绍了课题的背景与意义及国内外研究现状,并给出了本次毕业设计的主要工作和 论文的章节结构安排。 第二章为阐述了天线原理和技术及各类参数的意义。其中天线原理部分主要对偶极子天线的辐 射原理进行了简单阐述。在各类参数的意义方面,将辐射方向图的介绍作为主要介绍对象。 第三章主要阐述了标签天线的理论、 设计思路、 标签天线的种类以及结构设计。 天线理论方面主 要内容对阻抗匹配、 最大工作距离、 反射系数等进行相关介绍。 在对天线理论有所了解的情况下,本 章提出了本次设计的设计思路,设计思路主要描述了天线结构从简单到相对复杂的和对其优化设计 的过程。其中天线结构设计部分主要展示了根据理论和经验值设计的半波对称偶极子和弯折偶极子 设计初期的结构。 第四章主要给出了仿真软件的建模、 仿真和结果分析。 本章先对仿真软件建模和仿真的一般过程 进行描述,再通过本次设计涉及的相关结构建模和仿真进行详细的描述,再对仿真结果进行分析。 第五章为总结部分,对在本次设计中遇到的问题和在设计中的得到的收获进行了总结。

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第二章 RFID 标签天线相关原理及技术

2.1 射频识别系统
总的来说,标签天线、 阅读器和射频识别系统软件组成了射频识别系统。 标签天线在射频识别系 统中扮演者主要角色。 读写器天线通过向标签天线发射电磁波识别标签天线以及数据交换。 标签天线 和阅读器通过电感耦合或电磁反向散射原理与读写器进行通信[8]。射频识别系统应用的组成框图如 图 2-1 所示。

图 2-1

射频识别系统应用的组成框图

在超高频射频识别系统中,接收天线相当一个可变负载。 当数据经过标签天线芯片处理从 阅读器发出时,接收天线利用其可变的负载特性控制接收天线的反射信号,把相关应答信号调制到 反射的电磁波上。 阅读器接受到反射信号时,进行解码获取被识别的信息并发出相应的电磁载波。 在 电子标签芯片上存储着物体的专有信息,作为被识别物体的身份标记。利用阅读器和电子标签之间 的射频通信完成相关的信息交换,达到被识别的目的。然后,接收到相关被识别信息的阅读器将相 关信息通过局域网络系统实现功能的扩展[9]。

2.2 天线原理
天线是能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波 的装置。天线的功能:能量转换-导行波和自由空间波的转换;定向辐射(接收)-具有一定的方 向性。如图 2-2 中第一幅图片,由于两导线的距离很近,且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵 消,因而辐射很微弱。如果将两导线张开,这时由于两导线的电流方向相同,由两导线所产生的感 应电动势方向相同,因而辐射较强。 其原理如图 2-2 所示。 当导线的长度 L 远小于波长时,导线的电 流很小,辐射很微弱。当导线的长度增大到可与波长相比拟时,导线上的电流就大大增加,因而就 能形成较强的辐射[9]。

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图 2-2 偶极子天线辐射原理图 参照图 2-2-1 所示的坐标系统,半波对称振子的方向函数可以表示为:

?? ? cos? cos ? ? 2 ? ? f ?? , ? ? ? sin?

(2-2)

天线的方向性系数 D?? ,? ? 可由式(2-2)给出。 图 2-2-2 中给出了半波对称振子的方向函数曲线
[16]



D?? , ? ? ?

4? f ?? , ? ?

2

? ?
0

2?

?

0

f 2 ?? , ? ? sin ?d?d?

(2-3)

图 2-2-1 坐标系统

图 2-2-2 对称振子的方向图

2.3 RFID 标签天线的分类
标签天线主要分为 3 大类:线圈型、 偶极子、 缝隙型。 线圈型天线是将金属线在一平面内绕成线 圈或缠绕在磁芯上;对称偶极子天线由两段相同且对称的金属臂排在同一直线上,信号从中间的两 个端点馈入,天线的长度决定频率范围;缝隙型天线是由金属表面切出的凹槽构成,其中微带贴片 天线由一块末端带有长方形的电路板构成,长方形的长宽决定频率范围[10]。

2.3.1 线圈天线
由 RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图 2-3 所示。 线圈天线包括射频识别天线的线圈电感 L、 寄 生电容 Cp 和并联电容 。当标签天线(线圈)进入读写器天线辐射范围,标签天线和读写器天线相 互作用构成变压器的初级线圈和次级线圈[11]。

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R L

Cp

C` 2 u2

RL

ui

图 2-3 线圈天线谐振回路
· 线圈天线 包括 RFID 天线的线圈电 感 L 、 寄 生电 容 Cp 和并 联 电 容 C‘ 2 ,其谐振频率 为:

f ? 1

2?

标签和读写器双向通信使用的载波频率即为 L ? C (式中 C 为 Cp 和 C 2 的并联等效电容)。

'

f。 若要求标签天线线圈外形很小(面积小)且有一定的工作距离,则 RFID 标签与读写器间的天线线圈 互感量(M)就明显不能满足实际需求,可以在标签天线线圈内部插入具有高导磁率( μ)的铁氧 体材料,以增大互感量,从而补偿线圈横截面小的问题[22]。 常用的 ID1 型非接触式 IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm×54.03mm×0.76mm),天线线圈 谐振工作频率通常为 13.56MHz。目前线圈型天线的实现技术已很成熟,广泛地应用在身份识别、货 物标签等 RFID 系统中,但是对于频率高、 信息量大、 工作距离和方向不确定的 RFID 应用场合,采 [21] 用线圈型天线很难实现相应的性能指标 。

2.3.2 缝隙型天线
在通讯方向变化不大的射频识别应用系统中一般采用具有优良物理特性的缝隙型天线。 缝隙天

线具有低轮廓、 重量轻、 加工简单、 易于与物体共形等特点,且宽带宽,与有源器件和电 路集成为统一的组件, 能简化整机的制作与调试, 适合大规模生产, 从而大大降低成本 [20] 。
微带贴片天线也是缝隙型天线的一种,微带贴片型天线就是通过金属地板的介质基片上导体所 构辐射的天线。 在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线[12]。 图 2-4 表示出了微带缝隙天线的 结构。

图 2-4 微带缝隙天线 微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形,圆形,或者环形,其缝隙形状如图 2-5 所示。

窄缝

圆环

宽缝 图 2-5 各种缝隙



2.3.3 偶极子天线
偶极子天线具有诸多优良特性,如辐射能力好、结构简单、效率高等特点,在 RFID 系统中得到 了广阔的应用。在远距离 RFID 系统中偶极子天线亦是性能表现优异。偶极子天线及其演化形式如图
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2-6 所示[13]。

图 2-6 偶极子天线 (a)偶极子天线(b)折合振子天线(c)变形偶极子天线 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, 在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布。 这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。 利用麦克 斯韦方程就可以求出其辐射场方程如下:

E ? ? ? dE ? ? ?
?1

1

60?I z sin?cos??zcos? ?dz ?1 r
1

(2.1)

其中 I z 为沿振子臂分布的电流,α 为相位常数,r 是振子中点到观察点的距离,θ 为振子轴到 r 的夹角,l为单个振子臂的长度。 同样,也可以得到天线的输入阻抗、 输入回波损耗 S11 、 阻抗带宽和 天线增益等等特性。当单个振子臂的长度 l=λ/4 时(半波振子),输入阻抗的电抗分量为零,天线输入 阻抗可视为一个纯电阻。 在忽略天线粗细的横向影响下,简单的偶极子天线设计可以取振子的长度 l 为的整数倍。 如工作频率为 2.45GHz 的半波偶极子天线,其长度约为 6cm。 当要求偶极子天线有较大 的输入阻抗时,可采用图 2-5(b)的折合振子。

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第三章 UHF 频段 RFID 无源标签天线的设计

3.1 设计要求
由于微波射频识别系统工作的特殊性,标签天线的设计参数与一般的天线有所不同。为了 能够 正常工作,需要满足的条件有:足够的小以至于能够贴到需要的物品上;有全向或半球覆盖的方向 性,这样对标签的放置就没有特定要求;能提供最大可能的信号给标签的芯片;无论物品在什么方 向,天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配;成本低廉。

3.1.1 阻抗匹配
在 RFID 系统标签天线的设计中,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所追求的目标。 无源 RFID 标签的等效电路如 图 3-1 所示。

LANT Rant VANT VTAG-AV
天 线 标 + 签 芯 IC 片 -

C V Ric IC Zic

Zant

图 3-1 无源 RFID 标签的等效电路 若天线阻抗 Z Ant 与标签芯片阻抗 Z ic 满足阻抗共轭匹配原则 , 天线从标签芯片将 获得到最大的

传输功率。 其中 VTag .Ant 为天线接收到的

V

Ant

的电压有效值, R Ant 及 L Ant 分别为天线的等效散射电

阻及电感。标签芯片的等效阻抗可以表示为: Z ic ? R ic ? j(?C c ) 是随 Vic 变化而呈非线性变化的,
?1

为了要得到最大的读出距离,标签芯片通常就工作在最低电压附近。在这个范围内,最大读出距离 主要受两个因素的制约,一是标签芯片工作所需的最低工作电压,二是在 RFID 系统中读写器灵敏 度确定时标签天线反向散射所能接收到的最小信号能量。 UHF 频段的无源标签 将不能在标签 中引入阻抗匹配电路, 也就是说标签天线的阻抗必须可以 直接与标签芯片的阻抗直接实现一定程度的阻抗匹配,由于失配所导致的反射系数必须小于一定程 度。标签芯片所吸收的功率可表为:

PTagrec ? PAnt?

(3.1)

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(3-1)式中 PTagrec 为标签芯片吸收的功率, PAnt 为标签天线从外界吸收的功率, τ 是标签芯片吸收功 率因子。

? ? 1? ?2 ?

4R c R a Zc ? Za
2

(3.2)

(3-2)式中 Γ 为标签天线到标签芯片的电压反射系数, Z c 和 R c 分别是芯片的阻抗和阻抗的实部 Z 和 R a 分别是天线的阻抗和阻抗的实部。 3.1.2 最大工作距离 综合反向散射和标签匹配的因素,一个 UHF 频段的 RFID 系统的最大工作距离可表示为:

r?

? 4?

Pt G t G T? Pth

(3.3)

(3.3)式中 λ 为工作波长, Pt 为读写器发射功率, G t 为读写器天线增益, G T 为标签天线增益, Pth 为标签芯片能够正常工作的最低门限功率。由以上的分析可见,一个 UHF 频段 RFID 系统的工作性 能与标签天线和标签芯片之间的阻抗匹配、 标签天线的增益都有直接的关系。 为保证标签有较好的可 读性降低对特定放置方向的依赖,应要求标签天线的辐射方向图具有较好的全向性[15]。

3.2 设计思路
本设计以实现设计 UHF 频段的无源电子标签 为 主要目的 ; 以实现标签天线的 输入 阻抗与 50ohm 匹配,在 915 兆赫兹谐振,s11(反射系数)<-10db,最大增益>10db,较好的全向性。在天线形 状方面设计弯着偶极子天线;要解决 915MHz 下的阻抗匹配问题,在阻抗匹配问题的处理方法上, 通过改变弯折次数来实现;在软件选择方面,采用高频结构仿真器(HFSS)。本次设计先对半波对 称偶极子尺寸进行计算分析后把具有理论尺寸的天线在 HFSS 下进行建模设计和仿真,在仿真结果 满足要求的情况下再在该偶极子天线增加厚度为 1.6mm 的 FR4 基板材料进行仿真,这时天线的尺 寸应该相应的改变以抵消增加基板对其天线辐射性能的影响。按照理论,基板的增加天线的长度应 该有所减小才能保持谐振频率不变。在调整且仿真数据符合要求的情况下,对改偶极子天线进行弯 折处理以达到小型化要求。 通过弯折的处理也调整期阻抗大小,以其达到阻抗匹配的目的。 本设计的 系统流程框图如图 3-3 所示。设计偶极子形状的天线,然后建模、仿真和优化。

技 术 指 标

天 线 形 状

仿 真 设 计

结 果 分 析

图 3-3 系统设计流程

3.3 标签天线结构设计
3.3.1 半波对称偶极子天线的结构设计
根据天线辐射理论选取天线振臂长度取 λ/4 左右(半波振子)。 在不加基板的初次设计基本参
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数如下:波长 λ=c/f=328mm,半臂振子长度 l=λ/4=82mm,宽度 w=2mm,中心频率 f=0.915GHz。在 设计 时; 辐 射 场 的 长 方体 形 空气盒 的大 小 距天线应 该 大于四分 之 一个波 长 , 空气腔 的 坐 标 为 (80,80,160)(-160,-160,-320)。

图 3-4 半波偶极子标签天线

3.3.2 弯折偶极子天线的结构设计
为了调整天线的谐振特性,本设计采取了改变弯折次数的方法来实现。本设计的折叠偶极子天 线的基本初步参数如下:弯折次数 n=4,天线半臂长度为 L=50mm,天线臂上的各个线元长度及间 隔相等,均为h=10mm,天线宽度 w=2mm,馈线长度为 2mm,用一个长方形代替。其形状结构如 图 3-6 所示。辐射空气腔坐标为(80,80,160)(-160,-160,-320) (以上参数都为实验仿真初期参数 调整优化后的结构参数在第四章中给出) 。

图 3-6

UHF 频段折叠偶极子的模型

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第四章 UHF 频段 RFID 无源标签天线的电磁建模与仿真
4.1 电磁仿真软件
Ansoft 进入中国市场较早,他们公司的高频结构仿真软件 HFSS,在中国高校使用率较为普及 。 HFSS 能够快速精确地计算各种射频或微波部件的电磁特性。方便地优化高频器件的性能指标。因此 本设计采用 Ansoft 的 HFSS10 软件进行仿真。其建模界面如图 4-1 所示。

图 4-1 Ansoft HFSS 界面

4.2 建模与仿真
下面详述 915MHz 的半波偶极子电子标签的设计的具体过程。 1)建模(Draw) 先建立一个新工程;再设置求解类型,在 Solution Type 窗口中选择 Driven Modal;再设置模 型单位为 mm;其次设置默认材料点击 Draw 按钮,进入三维建模器。 1.1)画矩形 Draw>>Rectangle 位子大小如图 4-7 所示

图 4.7 激励面建模 1.2)画长方体 Draw>>Box 设定长方体大小如图 4-8 所示

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图 4-8 空气腔建模 1.3)画矩形对偶极子单臂建模 Draw>>Rectangle 设定位子大小如图 4-9 所示 对单臂进行对称 复制操作 Edit>>Duplicate>>Mirror 选中该矩形对坐标系原点镜像复制。如 4-10 操作。

图 4-9 偶极子单臂建模 2)材料设定(Setup Materials)

图 4-10 单臂对称操作

点击 Setup Materials 按钮进入材料定义菜单,可以将模型中的 Objects 定义为介质(空气是 介电常数为 1 的介质)、金属和电阻等。 本设计的天线材料为铜。 基质材料采用的材料是 Fr4 材料, 厚度为 1.6mm,介电常数 ? r 取 4.4, tan? ? 0.002 。 2.1)单臂材料设定 右键模型名称 >>Assign boundary >>Finite conductivity 具体操作如 图 4-11 所示

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图 4-11 设定边界材料为有限电导率材料 2.2)空气腔材料设定 双击模型对象名称 弹出 properties 对话框 按 Material 设定材料 vacum 操作如 图 4-12 所示。

图 4-12 空气腔材料设定为 vacaum 即真空 3)设置激励端口(Excitation)和定义边界条件(Boundaries) 设置激励的分为一下四部分:设置波端口;设置辐射边界;设置辐射场角度。下面具体陈述一 下各部分的步骤。 (1) 设置波端口: (a)在菜单栏中点击 HFSS>Excitations>Assign>Lumped Port。(b)将该端口 命名为 LumpRort。 (c)设置积分线,在 Integration Line 中点击 None,选择 New Line。 在 YZ 平面内, 取端口的中点画积分线。(d)点击 Next 直到结束。操作如图 4-13 和图 4-14

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图 4-13 集总端口设定操作 1

图 4-14 集总端口设定操作 2 (2) 设置辐射边界:(a)在菜单栏中点击 Edit>Select>By Name。(b)在对话框中选择空气腔的 模型名称。 (c)在菜单栏中点击 HFSS>Boundaries>Radiation。 操作如图 4-15 所示(d)将辐射边界命名 为 Rad1,操作如图 4-16 所示。辐射边界如图 4-17 所示。

图 4-15 设定空气腔的辐射边界 图 4-16 设定空气腔的辐射边界名称

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图 4-17 辐射边界 (3) 辐 射 场 角 度 设 置: (a) 菜 单 栏 中 点 击 HFSS>Radiation>>Insert Far Field >>Infinite Sphere 或右击 Radiation>>Insert Far Field >>Infinite Sphere。 操作如图 4-18。 (b)在辐射远场 对话框设置:Infinite Sphere 标签中 Name:ff_2d,Phi(Start:0;Stop:360;Size:10),Theta( Start:0;Stop:360;Size:10),如图 4-19 所示。

图 4-18 设定辐射远场设置

图 4-19 辐射场角度设置 4)求解设置 求解设置分为设置求解频率及扫描范围。 (1) 设置求解频率:在菜单栏中点击 HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup.在求解设置 窗口中,设置:Solution Frequency:0.915GHz,Maximum Number of Passes:20,Maximum Delta S per Pass:0.02。求解设置如图 4-20 所示。

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图 4-20 设置求解频率 (2) 设置扫频:在菜单栏中点击 HFSS>Analysis Setup>Add Sweep ,选择 Setup 1,在扫频设 置 窗 口 中 设 置 : Sweep Type : Fast , Frequency Setup Type : Linear Count , Start:600MHz, Stop: 1.5GHz, Count: 1000,并选中 Save Field。设置扫频的对话框如图 4-21 所示。

图 4-21 设置扫频 5)设置好之后就保存工程,在菜单栏中点击 File>Save As,并将该工程重命名。并在菜单求 解该工程,点击 HFSS>Analyze。 6)求解该工程 在菜单中点击 HFSS>Analyze。 7)后处理操作(Post Processing) (1) S 参数设 置:点 击菜 单 栏 HFSS>Result>Create Modal Solution Data Report, 操 作 如图 4-22。接着选择:Rectangle Plot。在 Trace 窗口中,设置:Solution:Setup1:Sweep1,Domain: Sweep。点击 Y 标签,选择:Category:S paramenter:Quantity:S(p1,p1);function:dB 点 击 New Report 按钮完成。设置 S 参数的对话框如图 4-23 所示。

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图 4-22 生成报告

图 4-23 S11 报告参数设定

(2) 2D 辐 射 远 场 : 在 菜 单 栏 中点 击 HFSS>Result>Create Far Field Report。接着 选择: Radiation Pattern。在 Context 窗口 中 ,设 置: Solution : Setup1 : Last Adptive , Geometry : Infinite Sphere1。在 Trace 窗口中,设置 2D 辐射远场的对话框如图 4-24 所示。

图 4-24 设置 2D 辐射远场 (3) 史密 斯圆 图: 在 菜 单 栏 中点 击 HFSS>Result>Create Modal Data Report 。接着 选择: Simith Chart。在 Context 窗口中,设置: Solution :Setup1:Last Adptive ,Geometry:Infinite Sphere1 。在 Trace 窗口中,设置史密斯圆图的对话框如图 4-25 所示。

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图 4-25 设置史密斯圆图

(4) 3D 方 向 图: 在 菜 单 栏 中点 击 HFSS>Result>Create Far Field Report 。接 着 选 择: 3D Ploar Plot。在 Context 窗口中,设置 3D 辐射远场的对话框如图 4-26 所示。

图 4-26 设置 3D 辐射远场

4.3 结果分析
本文 915MHz 的半波偶极子天线的最终模型图、反射系数曲线、远场增益方向图(E 面)、远场 增益方向图(E 面)、 斯密斯圆图、 三维电场图分别如图 4-27、 图 4-28、 图 4-29、 图 4-30、 图 4-31、 图 431 所示。经过结构调整、仿真优化最后得到结构为:半臂振子的长度 h=62.5mm, 半径 r=2mm,基板 材料 Fr4 厚度 1.5mm,空气腔长 170mm 宽 170mm 高 320mm,材料为真空。其结构如图 4-27 所示。 仿真结果表明:谐振频率 f=0.9126, S11=-27.535 。符合谐振频率在 915MHz,由 2D 远场 rE 图 看出其增益大于 10dB 的要求;同时尺寸在长 L<300mm,宽 W<200mm 的范围内。

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图 4-27 半波偶极子天线的模型

图 4-28

半波偶极子天线的反射系数曲线

此图表明其谐振频率 f=0.9126, S11=-27.535。其带宽度约为 120MHz。满足任务书上谐振频率在 915M 和较宽带宽的要求。

图 4-29 半波偶极子天线的远场增益方向(E 面)

图 4-30 半波偶极子天线的远场增益方向(H 面)
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由图 4-29 和图 4-30 该半波对称偶极子的最大增益约为 20db。满足任务书上最大增益大于 10 的 要求。

图 4-31 半波偶极子天线的斯密斯圆图 由图 4-31 可知改半波对称偶极子的输入阻抗归一化值 1.087+j0.122,即阻抗值为 54.35+6.1j。 虚 部较小,能较好的与 50ohm 匹配,满足任务书上要求。

图 4-32

半波偶极子天线三维电场图

915MHz 的折叠偶极子天线的模型、 反射系数曲线、 远场增益方向图 H 面、 远场增益方向图 E 面面、 斯密斯圆图、 三维电场图分别如图 4-33、 图 4-34、 图 4-35、 图 4-36、 图 4-37、 图 4-38 所示。 半臂振子的 长度 L=48mm, 宽 W=2mm; 高 度 H=10mm 每 次 弯折相距 4mm; 辐 射 空气腔坐 标( -80, -80,160)、 (160,160,320),基板 厚度 1.6mm 材料为 FR4,仿真结果 表 明 : 谐振频率 f=0.9206, S11=17.4633,符合谐振频率在 915MHz,最大增益大于 20dB 的要求;符合输入阻抗为 50ohm 的要求;显 而易见,天线的尺寸也是达到了任务书的要求。

图 4-33 折叠偶极子(n=4)天线的模型结构图

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图 4-34

折叠偶极子(n=4)天线的反射系数

由图 4-34 可知其谐振频率 f=0.9206, S11=-17.4633db 其带宽约 80MHz 满足任务书上其谐振 频率为 915Mz 和较宽带宽的要求。

图 4-35 折叠偶极子(n=4)天线的 2D 远场图(E 面)

图 4-35 折叠偶极子(n=4)天线的 2D 远场图(H 面) 由图 4-35 和图 4-36 可知该弯折偶极子的最大增益为 21db 大于任务书上 10db 的要求

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图 4-37 折叠偶极子(n=4)天线的史密斯圆图 由图 4-37 可知改弯折偶极子的 输入阻抗归一化值为 1.072-j0.033 阻抗值即为 53.6-1.65j , 这与 50ohm 能较好匹配。

图 4-38 折叠偶极子(n=4)天线的 3D 远场图 比较仿真结果,半波偶极子和弯折偶极子天线 都能较好的谐振在 915MHz 附近;随着弯折次数 的增加,天线的方向图基本保持不变,且都具有良好的全向性;其中天线长度有效和基板尺寸的改 变也对谐振特性有所影响,空气腔辐射表面离天线表面距离也对仿真结果中回波损耗和增益数据大 小有很大影响。从天线远场增益方向图中可以看出,天线的增益(rE)都大于 10dB。从天线的史密斯 圆图中可以看出,RX=53.6-1.65j,其中阻抗与 50ohm 较好匹配,通过改变弯折次数,可以使阻抗 更好得匹配,从而优化天线谐振特性。其中,天线的几何尺寸也符合任务书上的指标。

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第五章 总 结
通过这次的毕业设计,我掌握了天线仿真软件的使用方法和设计标签天线的基本方法。 我本着理论指导实践的思想,在做毕业设计之前,我先对天线理论方面的知识进行了大量的整理, 前人的一些总结、 理论和仿真软件的使用使我省去了大量计算的时间。 天线设计参数的契合往往不是 一蹴而就的,由于电磁波理论的复杂性,这需要不断仿真优化才能达到性能参数要求。我先在基本 理论的指导下,对偶极子标签天线的设计有了一个大致的构想,先在基板上构建半波对称偶极子天 线仿真优化后再对其弯折,再对其形状进行不断调整并进行仿真优化,实现无源弯折偶极子标签天 线的设计。 毕业设计的过程是学习的过程,我从一开始着手时对天线电磁波理论的一知半解到完成毕业设 计,我学到很多,收获了很多。毕业论文的撰写使我增强了检索信息的能力,养成了严谨的科研习 惯。 通过软件的学习,增强了自学能力。 通过实际工程的设计也使我了解到书本知识和实际应用的差 别。在仿真中遇到很多的问题,这都需要我对问题进行具体的分析并查找原因,这更加加深了我对 理论知识的理解。从理论到实践再到理论,我的毕业设计完成了,但这其中必然还存在需要改进的 地方,由于时间仓促,性能优化方面的尝试没有完全去实施,但我会在今后的工作实践中继续学习 天线、电磁破方面的知识,用对理论更加深刻的理解完善这次毕业设计。

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