【doc】弯折线偶极子天线谐振特性的研究

【doc】弯折线偶极子天线谐振特性的研究 弯折线偶极子天线谐振特性的研究 第22卷第3期 2006年6月 微波 J0URNALOFMICROWAVES V01.22No.3 Jun.20o6 文章编号:1005-6122(2006)03-0018-05 弯折线偶极子天线谐振特性的研究 赖晓铮张小燕赖声礼 (华南理工大学电子与信息学院,广州510640) 摘要:本文研究了由矩形弯折线构成的偶极子天线的谐振特性,分析了弯折线偶极 子天线的弯折次数,矩 形弯折的高度以及弯折角度等参数对天线谐振特性的影响.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,弯折线偶极 子天线的参数改变对天线谐振 特性有较强的调节作用,适当的改变天线的参数可以获得较好的天线尺寸缩减特 性,适合RFID标签天线的应用. 关键词:偶极子天线,弯折线,谐振频率,射频识别 ResonantCharacteristicsoftheMeander-lineDipoleAntenna LAIXiao?zheng,ZHANGXiao?yan,LAISheng?li (SouthChinaUniversityofTechnology,Electronic&InformationSchool,Guangzhou 510640,China) Abstract:Inthispaper,resonantcharacteristicsofthemeander— linedipoleantennadependedontimesofmeanders, theheightofmeandersandtheangleofmeandersareanalyzed.Itisdemonstratedthatchangin gparametersofthedipolean— tennaisaneffectivemethodtoadjustitsresonantcharacteristics;thegoodreducedsizeCanbe achievedbyproperlyaltering itsparameters;andthemeander— linedipoleantennaaresuitablefortheapplicationfitsRFIDtagantenna. Keywords:Dipoleantenna,Meander— line,Resonantfrequency,Radiofrequencyidentification(RFID) 引言 近年来,RFID(RadioFrequencyIdentity射频识 别)技术的研究迅速发展.在RFID系统中,RFID 标签天线的性能对整个系统的工作指标有关键性的 影响….随着RFID标签不断朝着小型化方向发 展,寻求具有尺寸缩减特性的天线结构成为RFID 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的迫切需要.以往,人们提出了分形天线』,V 型偶极子J,折合偶极子l3J,环天线等天线结构 来实现RFID标签天线的尺寸缩减.但上述天线的 构造相对复杂,理论分析困难,且复杂的结构伴有额 外的能量损耗,导致RFID标签天线的效率降低. 偶极子天线由于具有结构简单,效率高的优点, 被广泛应用于RFID标签天线的设计J.本文提出 采用外形结构简单的弯折线偶极子天线作为RFID 标签天线的形式.以往,在移动通讯领域对弯折线 天线的性能做了很多探索J,目前此类研究主要 集中在弯折线单极子天线上.本文采用矩量法 研究具有弯折线结构的偶极子天线,着重于研究弯 +收稿日期:2005-08-24;定稿日期:2006-03-02 基金项目:广东省科技攻关项目(2003C40406) 折线偶极子的弯折次数n,弯折高度h和弯折角 对天线谐振特性的影响.仿真结果表明,在天线外 形尺寸基本不变的情况下,适当改变弯折线偶极子 天线的参数可以有效降低天线的谐振频率,从而实 现较好的天线尺寸缩减特性. 1弯折次数,l的研究 弯折线偶极子天线的几何结构如图l所示:设 天线的弯折次数为/'t,则天线的两臂等分为(/'t+2) 线段(/'t>0,当/'t=0时天线对应于半波偶极子天 线)./'t为偶数的线段弯折凸出数,其凸出高度为 h,弯折角度为(图l显示的是矩形弯折线,= 90.,其它弯折角度的弯折线偶极子天线结构图请参 见图5). 图l列出了弯折次数/'t=0,l,2,3,4的弯折线 偶极子天线结构,首先研究当其他尺寸参数保持不 变的同时,天线的谐振特性随弯折次数/'t的变化关 系.如图l所示,设弯折线偶极子天线的外部长度 L=l20mm,高度h=l0mm,线半径r=0.5mm.用 第22卷第3期赖晓铮等:弯折线偶极子天线谐振特性的研究19 矩量法仿真,得到如图2(a)所示的天线反射系数 Sll图.图2(b),(d)所示分别为n=0,2,4的天线 方向图. 馈电点n-0 "=l n=2 图1弯折次数n=0,1,2,3,4的弯折线偶极子天线结构图 表1列出了对应不同弯折次数n的弯折线偶极 子天线的总长度,谐振频率,谐振点电阻以及谐振点 S参数. 表1随弯折次数n变化的弯折线偶极子天线参数 ,天线的谐振频率比n= 仿真结果表明:n=1时 0时下降了190MHz,而n=4时天线的谐振频率比 n=3时下降了60MHz.可见,随着弯折次数n的 增加,弯折线偶极子天线的谐振频率下降,但下降的 趋势渐缓.谐振点的阻抗也随着弯折次数n的增加 逐渐下降,下降趋势与谐振频率一致. 当n=0时,增益为2dBi,E面方向图主瓣宽度 比较窄;当n=4时,增益降到1.5dBi,E面方向图主 瓣宽度较n=0时宽.而随着n的变化,H面方向图 基本保持不变,表现出全向性.参数n对方向图影 响有限. 2弯折高度h的研究 再取天线的外部长度L=120ram,弯折次数为 2,天线的线半径r=0.5ram,当其他尺寸参数保持不 变时,研究天线的谐振特性随弯折高度h的变化关 系.如图3所示,弯折线偶极子天线的高度依次为 h=5,8,10,12,15ram的结构图.由矩量法仿真得 到图4(a)所示的天线反射系数S.图.图4(b), (d)为弯折线高度分别为h=5,10,15的天线方向 图. (a)反射系数S图 — f-=116(GHz),E?total,phi=0(deg) +f=l16(GHz),E-total,phi--90(deg) 0 , i..,一'1.—二_. l8O ElevationPatternGainDisplay (dBi) (b)n=0,天线方向图—— f=085(GHz),E—total,phi=0(deg) +f---085(GHz),E-total,phi--90(deg) 0 l8O Elevation, PatternGainDisplay '(dBi) (c)n=2天线方向图 — f=0705(GHz),E-total,phi:0(deg) 一f=0705(GHz),E-total,phi=90(deg) 0 ?臻 . l8O 到喘dBiai"spay() (d)n=4天线方向图 图2随弯折次数n变化的天线.s图和方向图 o0,宁:竿凇芎: 蕾 20微波2006年6月 馈电点 厂_]r_]r_]厂_]10 n=0 "=l n=2 厂]r_]厂]n厂]n『_]『_]10 'L=l2O' 图3弯折高度h=5,8,10,12,15的天线结构图 表2列出了对应不同弯折高度h的弯折线偶极 子天线的总长度,谐振频率,谐振点电阻以及谐振点 .s..参数. 表2随弯折高度^变化的弯折线偶极子天线参数 由仿真结果表明,随着弯折高度的增加,谐振频 率下降,但下降的趋势渐缓.谐振点的阻抗也随着 弯折深度的增加逐渐下降,下降的趋势与谐振频率 一 致.在h=5mm时,谐振点的阻抗最接近5On匹 配电阻. 当h=5mm时,增益为2dBi,E面方向图主瓣宽 度比较窄;当h=15mm时,增益降到1.5dBi,E面方 向图主辨宽度比n=0时宽.而随着n的变化,H面 方向图基本保持不变,表现出全向性.参数h对方 向图影响有限. 3弯折角度的研究 再取天线的外部长度L=lOOmm,天线高度h= lOmm,弯折次数为2,线径为0.5mm,研究当其他尺 寸参数保持不变时,天线的谐振特性随弯折角O/的 变化关系.图5为弯折线偶极子天线的弯折角依次 为O/=45.,60.,90.,120.的结构图.由矩量法仿真 得到图6(a)所示的天线反射系数.图6(b),(d) 表示弯折线角分别为O/=45.,60.,120.的天线方向 图.(O/=90.的方向图见图4(e)) 表3列出了对应不同弯折角o/的弯折线偶极子 天线的总长度,谐振频率,谐振点电阻以及谐振点 .s参数. (a)反射系数Js..图 —— ?一f_-1005(GHz),E-total,phi=0(deg) 一 f-1005(GHz),E-tolal,phi=90(deg) 0 (180.)90 180 ElevationPatternGainDisplay. (dBi) (b)h=5mm的天线方向图 —— f=085(Gnz),E?lotal,phi=0(deg) ——085(GHz O ),E-IolaI,ph90(deg) (180') ?:,一_z一" ' 180 ElevalionPattemGainDisplay (dBi) (C)h=lOmm的天线方向图 — f:0735(GHz),E-total,phi-0(deg) (I80-~)90 —一 f:0735(GHz),E-total,ph1=90(deg) 0 Illt ? 0?" , .—/. . :::,?/" ? 180 ElevalionPatternGainDisplay. (dBi) (d)h=15mm的天线方向图 图4随弯折高度h变化的天线Js..图和方向图 第22卷第3期赖晓铮等:弯折线偶极子天线谐振特性的研究2l 图5弯折角a=45.,60.,120.的天线结构图 表3随弯折角~1t变化的弯折线偶极子天线参数 45l16.4 60123.1 90140 120163.1 1.28 1.235 1.165 1.o6 57.36一j0.35 53.61+j0.45 47.96+j0.07 41.9一j0.09 — 23.27 — 29.09 — 33.63 — 21.1 仿真结果可见,随着0的逐渐增加,谐振频率和 谐振点阻抗明显下降,这与天线总长度明显增加有 关,表明改变弯折角0对天线谐振频率有较好的调 节作用. 从方向图看,变化时,方向图几乎不改变,增 益保持2dBi不变,E面方向图主瓣宽度都比较窄, 而H面方向图表现出全向性. 4实验测试 根据上述弯折线偶极子天线的仿真结果,本文 制作了如图7所示的弯折偶极子标签天线: 天线两端的直线长度为70mm,弯折高度为 5mm,馈点间距1mm.采用的标签IC是Atmel公司 的ATA5590,芯片Ic端口阻抗:l2一l7,符合RFID 国际标准:EPCClasslGen2. 使用的阅读器是AWID公司的MPR一3014阅 读器,支持EPCClasslGen2标准.在天线辐射功率 4W(36dBm)EIRP,中心频率915MI-Iz,标签天线面 与阅读器天线面水平的试验条件下,阅读距离为 4.9m.根据ATMEL公司的数据手册显示: ATA5590半波偶极子标签在4WEIRP条件下距离 可以达到7m.实验结果显示,本文制作的标签天线 性能基本达到应用的需求,证明了上述弯折偶极子 天线仿真的有效性. 5结论 上述仿真分析表明,通过改变弯折线偶极子天 线的弯折次数n,弯折高度h和弯折角,较易实现 天线谐振参数的改变.随着天线弯折次数n增多, 弯折高度h增加和弯折角增大,天线的谐振频率 明显降低,因此具有较好的尺寸缩减特性.弯折线 00.20406081012l416 f/GHz —— (a)反射系数S..图 f=l28(GHz),E-total,phi-0(deg) (180-~)90 , 1 (180-q))90 , 1 (18o~)90 1 +f=-I28(GHz),E-total,phi=90(deg) 0 _||二 150, l80 ElevationPattemGainDisplay (dBi) (b)a=45.的天线方向图— 一1.165(GHz),E-total,phi=0(deg) +f--1165(GHz),E-total,phi=90(deg) ElevaaonPatternGainDisplay (dBi) (c)a=60.的天线方向图 —一 1.06(GHz).E-total.phi=0(deg) +忙1.06(GHz),E-total,phi--90(deg) j? 180 Elevatio,~PatternGaiaDisplay (dBi) (d)a=120.的天线方向图 图6随弯折角a变化的天线S图和方向图 22微波2006年6月 图7实际制作的弯折线偶极子天线图 偶极子天线是实现RFID标签天线小型化的有效途 径. 参考文献 赵洪新,洪伟.微型.低功耗微波反射调制器的研究. 微波,2001,17(3):69,76 芬肯策勒,着.无线电感应的应答器和非接触IC卡 的原理与应用.射频识别(RFID)技术,北京:电子工 业出版社,2001 PeterJ.FractalantennadesignforRFIDapplications.E- lectroniCSDesignDivision,Mid-SwedenUniversity,2001 张志振,罗永志,箫保成,岑裕洲.射频辨识技术之标 签天线设计.2004海峡两岸三地无线电科技研讨会 论文集,C1:26,30 UHFLabelAntennaDesignGuide[AN].PhilipsSemi- conductor,2005 BestSR.OntheresonantpropertiesoftheKochfractal andothermonopoleantennas[J].AntennasandWireless PropagationLetters,2002,1(3):74,76 AliM,HayesGJ,HwangHS,eta1.Designofamulti- bandintemalantennaforthirdgenerationmobilephone handsets『J].IEEETransactionsonAntennasandPropa- gation,2003,51(7):1452,1461 WamagirismTJ.MinardoTJ.Performanceofameander lineasanelectricallysmalltransmittingantenna[J]. IEEEAntennasandPropagationMagazine,1998,46 (12):1797,1801 王琪,阮成礼,张梅.梯形弯折线单极子天线的谐振特 性.电讯技术,2004,19(4):99—102 赖晓铮男,华南理工大学电子与信息学院博士生,主要 研究方向为RFID天线和射频电路. 张小燕女,华南理工大学电子与信息学院硕士研究生, 主要研究方向为电小天线设计. 赖声礼男,华南理工大学电子与信息学院教授,博士生 导师. (上接第17页) 面螺旋天线C/A为0.6—1.1时,输入阻抗有波动, 显示多频特性;在1.1—2.8时,输入阻抗平缓,电阻 均值为25Q左右,电抗值趋于零,显宽带特性.在 相同模式下,球面螺旋天线结构紧凑,具有比传统螺 旋天线更小的尺寸,较易控制天线辐射模式.本文 同时首次提出一种新型的半球面螺旋天线,尺寸更 小,增益大,以圆锥模式辐射,具有剖面呈"鞍状"的 整体非常匀称的赋形方向图,适用于近地卫星通信. 感谢哈工大一CST培训中心提供的Microwave Studio软件包,对本文的软件支持. 参考文献 [1]徐琰,汪智萍.圆锥螺旋天线的设计和仿真.制导与 引信,2004,25(3):4o,43 [2]MeiKK,MeyerM.SolutiontoSphericalAnisotropic Antennas.IEEETransonAntennasPropagation,1964, AP一12:459,463 [3]Safaai-JaziA,CardosoJC.Radiationcharacteristicsofa sphericalhelicalantenna.1EEProc..Microw.Antennas Propag,1996,141(1):7,12 [4]CardosoJC,Safaai-JaziA.Sphericalhelicalantenna withcircularpolarishtionoverabroadbeam.Electronics [5] [6] Letters,1993,29(4):325,326 CardosoJC,Safaai-JaziA.Asphericalhelicalantenna. IEEE,AntennasandPropation,1993,AP-SDigest:1558 , 1561 MirkamaliAli,AkhoondzadehLida,KeyghobadKiyan, SoleimaniMohammad.ANovelQuadrifilarHelixAnten- naforuseinleoSatelliteCommunicationsaIEEEInterna- tionalConferenceonTheoryandTechniques,2003:509 , 511 邱景辉生于1960年,哈尔滨工业大学电信研究院微波教 研室教授,主要研究方向为毫米波电路理论与系统,微波毫 米波天线,高功率微波. 宋朝晖生于1970年,哈尔滨工业大学电信研究院微波教 研室副教授,主要研究方向为天线与电波传播,高空等离子 物理,高功率微波. 丁勇生于1980年,哈尔滨工业大学电磁场与微波技术 专业硕士研究生,主要研究兴趣为射频器件,微波毫米波电 路,天线系统,相控阵天线. E-mail:yongding007@yahoo.com.cn 秦文奕生于1981年,哈尔滨工业大学电磁场与微波技术 专业硕士研究生,主要研究兴趣为毫米波电路与系统,微波 天线. ]]]] rLrLrLrLrL