应用于RFID 中宽频带贴片小天线的设计与研究

·82· 应用于 RFID 中宽频带贴片小天线的 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 与研究 王丛屹 谭立容 伍瑞新 （南京大学电子科学与工程学院，南京 210093） rxwu@nju.edu.cn 摘 要：本文主要设计与研究用于标签识别上的贴片天线，为实现该类型天线小尺寸，相对较低工作频点 （915MHz）和高增益以及宽频带要求，在认真比对和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 各类天线特征以及优缺点后，本文决定采用 Koch 分形缺陷接地面结构来解决传统半波偶极子天线因频点较低而尺寸大的缺点，而为了解决分形缺陷几何结 构因具有多谐振频点而带来的低增益、窄带宽固有缺点，在分形缺陷几何结构基础上加了具有较大带宽的 半平面领结型天线作为对先前低增益和窄带的补偿。因此该结构天线具有低频点，尺寸小，频带宽，增益 大的优点。 关键词：RFID；Koch 分形；宽频带；标签小天线 Design and Research on Wideband Small Patch Antenna in the application of RFID WANG Congyi，TAN Lirong，WU Ruixin （School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of China，Nanjing 210093） Abstract：In this paper，a small patch antenna in the application of RFID tags is being designed and analyzed. In order to realize the mini-size，compared lower working frequency（915MHz），high-gain and wideband in this type of antenna， having been through meticulous comparing and analyzing characters， advantages and disadvantages between various types of antennas，the Koch Slot Ground Plane is adopted to solve the big size of traditional half wavelength bipolar antenna due to its lower resonant working frequency. To solve the low-gain and narrow bandwidth brought up by the multiple resonant frequencies which is the impossible eliminated character of the fractal geometry，the half-bowtie plane type which compensates the low gain and narrow-bandwidth is added on the foundation of fractal slot geometry. Thus，this type of antennas shares the advantages of lower working frequency，mini-size，wide bandwidth and high-gain. Keywords：RFID; Koch Fractal; wide bandwidth; small tag antenna 1 引言 设计带有分形结构的天线是克服传统天线单工 作带宽和工作波长对天线尺寸的依赖这两个主要局 限的一种很有效的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。具有自相似特征的特 定分形结构会导致分形结构的天线具有多工作频带 的特点[1]。另一方面，具有最高弯折效率的特定分形 为天线在特定谐振点工作时体积和尺寸的减小提供 了可能[2]，[3]。但是，传统的分形结构却具有低带宽 和低增益这些不可避免的缺点。因此在本文中，一 种在分形缺陷结构基础上设计的新型宽频带、高增 益贴片天线将被实现从而达到最优的天线性能。在 前人研究中，以微带线馈电并与之相匹配的辐射片 加载在分形缺陷结构上是一种弥补传统分形结构缺 点的方法[4]。与之类似，以微带线馈电并且在分形缺 陷结构上加载有宽频带特性的匹配平面半领结天线 这种衍生扩展方法将在本文中运用和研究。最后， 通过仿真给出尺寸优化后的天线性能结果。 ·83· 2 天线设计 2.1 天线外形轮廓 设计的分形缺陷接地面贴片天线的外形轮 廓如图 1 所示。天线被放置在低损耗介电常数 ε r=2.64 和厚度为 thick 的介质板上。变形 Koch 树状分形缺陷结构和辐射片通过穿越介质板的微 带线相连并馈电。天线的性能通过 Ansoft HFSS 进 行仿真分析[5]。缺陷的基本几何形状为边长为 a 的 等边三角形，然后用各阶数的 Koch 分形几何结构 替换接地面缺陷形状上除底边外的另两边，如图 2 所示。 （a） （b） 图 1 加有平面半领结辐射片的变形 Koch 分形缺陷贴片天线（a）正面（b）反面 图 2 不同阶数下的 Koch 分形几何结构 图 3 天线在不同阶数下的 S11  （a）基本图形（b）一阶（c）二阶（d）三阶（e）尺寸标注 2.2 分形结构的阶数、尺寸和在介质板上的 位置 图 3 显示了不同阶数下的 Koch 分形结构的天 线反射系数 S11。和开始的预期一致，天线的谐振 频率随阶数的增加而减小。尽管分形的周长随阶数 的加 1 而增加 33%，但是谐振频率并不按照外周长 的增大而增加。因此调整 Koch 分形阶数能在不改 变天线带宽前提下降低谐振点频率。当 Koch 阶数 加 2 时，天线的工作频带从 4.1-5.6GHz 移动到 2.2- 6.3GHz。在这基础上再增加分形结构的阶数只能略 微减小谐振频率。显而易见，3 阶的 Koch 分形结 构的天线经过调整尺寸参数便能覆盖 915MHz 频段 并且有个合适的开口尺寸。 从图 4 运用 HFSS 仿真得出的天线 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 面电流分 布可以看出，表面电流都被观察到分布在分形缺陷 结构的边缘处并且在从 p 到 q 的‘pq’边缘段，电流 有相差半个波长的相位变化。基于此，将 Koch 分 形缺陷边缘的几何形状和欲设计的天线工作频率相 联系的设计方程被推导出来。根据分形替换衍生的 本质，Koch 分形缺陷边缘的周长可以从初始的等 边三角形边长 a 推导出来。并且，绝缘介质板的加 入与加空气板相比会增大天线的有效尺寸从而降低 天线的工作频率。所以，边界‘pq’的长度最终与在 最低谐振点处的辐射波长 0r 以及基板介电常数 r 和厚度 thick 联系起来。  0 2 r r thick pq    （1） 而 2017 9 93 3 a a apq    （2） 因为天线最低谐振点频率为 0.915GHz，从而 以 mm 为单位的分形缺陷几何结构的直径 a 可以通 过联立式（1）、式（2）得到： ·84· 0 67.5 r r a thick f   （3） 从而最后的 Koch 分形结构是在以 a 为边长的 等边三角形上取 Koch 的三阶分形而获得的。增大 a 会略微减小天线工作频率。 将 fr0=915MHz，所用介质版的介电常数 ε r=2.64 和厚度 thick=0.5 带入（3）式，可得 a≈30mm。 而 a 与 Koch 分形缺陷结构的缩放因子 k 有一 定关联，经过在 HFSS 中测量可知，当 k≈1.11 时，分形缺陷的尺寸 a 近似为 30mm。 因为分形缩放因子 k 的增加会使天线的工作频 点下移，为了使 fr0 为 915MHz，经过仿真调整，k 确定为 1.11。而分形缺陷在介质板上的位置根据分 形中心点偏离介质板中心距离 d 确定。最后通过仿 真 d 被确定为 -2.4mm，即分形缺陷在介质板下 2.4mm 位置处。 （a） （b） 图 4 仿真得到的天线面电流分布（a）分形缺陷面（b）辐射谐振片面 2.3 宽频带平面半领结型辐射片设计 辐射谐振片类似于四分之一波长的单极子天线 当谐振片的宽度 a 近似为λ/4 从而加强第一谐振点 处的性能，其具体的计算公式如下： 2a wide 1 0 1 4 2 r r c f        （4） 将 c=3x1011mm，fr0=915x106Hz，ε r=2.64 带 入，可得 a≈12mm。经过 HFSS 仿真，a 确定为 10.925mm。 经过仿真，辐射片的张角α是 tan-1（11/2）≈ 80°时，天线能获得最大的带宽，根据辐射谐振片 的几何关系 tanα=a/b，将 a=10.925mm 带入上式进 行计算得 b≈2mm，最后经过仿真优化，b=2mm。 且 b 的增加会显著降低天线谐振频率。 谐振辐射片的尺寸 c 可根据天线的谐振频点和 最大辐射增益得出，增加 c 利于频带的增加，但却 以频点的下移为代价，通过最后优化，c=9.5mm。 2.4 各尺寸参数对天线的影响和天线尺寸优化 在天线工作频点上，6 类不同尺寸天线的带宽 如表（1）所示。要使天线带宽尽可能大，c 应尽可 能大，thick 应尽可能小，但由前面分析可知，c 的 增加会使频点下移，thick 的减小使频点上移，这两 者恰好可以相互抵消，使天线工作频点恰好落在 915MHz 附近，天线ⅠⅡⅢ正好是这两者变化对带 宽影响的反应，因此天线Ⅲ具有理论上的最大带 宽。但由于实际加工过程中，介质板的厚度不可能 做到 0.1mm，最薄只能到 0.5mm，此时 thick 在原 先理论基础上增加了，降低了频点，因此需减小 a、b，有时甚至 c，附带调节 long、d 和 k 来抵消 这种影响。 表 1 几种不同尺寸天线性能 antenna long（mm） a（mm） b（mm） c（mm） thick（mm） k（mm） d（mm） fr0（G） BW（G） Ⅰ 5.8 10.925 2 8.5 0.5 1.2 -2 0.915 0.16 Ⅱ 4.8 11.925 7 12.5 0.3 1 -2.5 0.915 0.24 Ⅲ 3.8 11.925 9 11.5 0.1 1 -2.5 0.915 0.25 Ⅳ 4.8 11.925 10 9.5 0.5 1 -2.6 0.915 0.21 Ⅴ 3.8 11.925 9 9.5 0.5 1 -3.2 0.915 0.21 Ⅵ 5.8 10.925 2 9.5 0.5 1.11 -2.4 0.915 0.2 ·85· （a）S11 和 10dB 带宽 （b）辐射方向图 图 5 仿真结果 3 仿真结果 经过优化，表（1）中天线Ⅲ具有最优性能， 但符合实际加工条件的天线为ⅣⅤⅥ，且带宽都在 0.2GHz 附近，现取Ⅵ仿真，从结果（图 5-a）可以 看出，该贴片天线的反射损耗系数 S11 在 915M 附 近达到最低，其值 S11min=-21.8dB，10dB 点处的带 宽 W=1.3GHz-0.68GHz=0.62GHz。 图（5-b）显示天线在 E 面和 H 面辐射增益方 向波瓣图（红色的线表示 E 面，蓝色的线表示 H 面），可见该天线在 H 面具有近似全向的辐射方向 图，在 E 面具有很好的前后双向辐射特性，并且在 最大方向的增益近似达到 4dB。 4 总结 在本文中，一种覆盖全球 RFID 频段 （860MHz~960MHz）的新型 Koch 分形缺陷宽 频微带贴片小天线得到实现。仿真结果表明 Koch 分形结构的引进能缩小尺寸，平面半领 结形辐射片加入能克服传统分形结构低带 宽、低增益的缺点，从而该结构天线非常适 合用作 RFID 中的标签贴片天线。 参 考 文 献 [1] D. Wemer and R. L. Haupt，“Fractal antenna engineering：The theory and design of fractal antenna arrays，” IEEE Antennas Propagat. Mag.，vol. 41，no. 10，pp. 37–59，Oct. 1999. [2] C. Puente，J. Rorneu，R. Pous，and A. Cardama，“On the behavior of the sierpinski multiband antenna，” IEEE Trans. Antennas Propagat.，vol.46，no. 4，pp. 517–524，Apr. 1998. [3] C. Puente，J. Rorneu，R. Pous，J. Ramis，and A. Hijazo，“Small but long Koch fractal monopole，” IEE Electron. Lett.，vol. 34，no. 1，pp. 9–10，1998. [4] N. Lenin and P. H. Rao，“Broadband printed square slot loop antenna，”presented at the IEEE AP-S Int. Symp. Antennas and Propagation，Washington，DC，Jul. 3–8，2005. [5] Ansoft HFSS v. 10.0：Ansoft Inc. Pittsburgh，PA