面向RFID應用的2.4GHz微帶天線(xiàn)的設計與實(shí)現

　　微帶天線(xiàn)利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線(xiàn)良好匹配，且體積小剖面低、電性能優(yōu)良、實(shí)現了一維小型化?；诖诵⌒突炀€(xiàn)采用微帶天線(xiàn)形式。而微帶天線(xiàn)實(shí)現圓極化的饋電方法主要有: 雙饋點(diǎn)饋電和單饋點(diǎn)饋電。其中每一種饋電方法又分別可采用直接饋電、縫隙耦合饋電、探針饋電等多種饋電方式。直接饋電的單饋點(diǎn)法不需設計任何復雜的移相網(wǎng)絡(luò )和功率分配就可實(shí)現圓極化輻射，是實(shí)現圓極化的簡(jiǎn)易方法，所以一般采用單饋點(diǎn)直接饋電的方式饋電[4]。

　　微帶天線(xiàn)設計

　　根據微帶天線(xiàn)理論，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著(zhù)微帶天線(xiàn)的方向性函數、輻射電阻以及輸入阻抗?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模，通常要求寬度W滿(mǎn)足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分別是天線(xiàn)的高度和寬度。但在實(shí)際設計時(shí)應考慮邊緣場(chǎng)的影響，要對L值進(jìn)行修正，因此L由公式(4)決定：

　　因為電場(chǎng)沿 L方向非均勻分布，故可通過(guò)改變同軸饋點(diǎn)在 L方向上的位置來(lái)改變饋電點(diǎn)的阻抗大小，達到信號的匹配狀態(tài)。饋電點(diǎn)位置的導納如公式(6)所示：

　　式中Z₀是把天線(xiàn)視為傳輸線(xiàn)時(shí)的特性阻抗;Y₀是其對應的導納;Z_W是壁阻抗;β是介質(zhì)中的相位常數; L₁、 L₂為饋點(diǎn)沿 L 方向分別到輻射電極邊沿的距離。通過(guò)改變L₁、 L₂的大小可以使輸入阻抗滿(mǎn)足阻抗匹配的要求。

　　設計中還要考慮到輻射電極的長(cháng)和寬L、W要滿(mǎn)足矩形貼片天線(xiàn)圓極化工作必要條件，即：

　　式中Q_r，Q_d，Q_e，分別對應輻射，介質(zhì)和導體損耗的Q值。

　　我們在設計時(shí)，考慮到微帶天線(xiàn)應用在手持擴頻通信設備中，要求天線(xiàn)具有剖面薄、體積輕、小型化的特點(diǎn)。根據上述公式計算出天線(xiàn)的實(shí)際尺寸，然后在A(yíng)gilent公司的電路和系統分析軟件ADS上建模，仿真優(yōu)化，得到圖4所示的天線(xiàn)模型。該天線(xiàn)工作頻率為2.4GHz，尺寸為10mm×7.88mm，天線(xiàn)固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4，相對介電常數為4.4，基板厚度為1.2mm。對貼片天線(xiàn)進(jìn)行單點(diǎn)直接饋電，饋電點(diǎn)到貼片中心的距離為4.2mm，保證了天線(xiàn)體積的小型化。在饋線(xiàn)末端開(kāi)出一個(gè)0.38mm的接地孔，以便和接地層相連。Length的長(cháng)度與板厚有關(guān)系，板厚1.2mm，對應的Length長(cháng)度為3.175mm。一體式結構適合大規模的生產(chǎn)和調試，并且堅固抗折，適合在卡狀設備中使用。

　　為了優(yōu)化射頻卡天線(xiàn)的傳輸性能，天線(xiàn)的輻射電阻必須適應射頻電路的阻抗特性。阻抗匹配是指在天線(xiàn)能量傳輸時(shí)，要求負載阻抗要和傳輸線(xiàn)的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì )產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之則在傳輸中有能量損失。在設計天線(xiàn)時(shí)，為了防止信號的反射，要求線(xiàn)路的阻抗為50歐姆。通過(guò)ADS的仿真分析后得到50歐的微帶參數為：銅箔厚度為0.7mil，基片厚度為10mil，導線(xiàn)寬度為20mil，導線(xiàn)距地平面的距離為31mil。