面向RFID應(yīng)用的2.4GHz微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　微帶天線利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線良好匹配，且體積小剖面低、電性能優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)了一維小型化?；诖诵⌒突炀€采用微帶天線形式。而微帶天線實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)任何復(fù)雜的移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，是實(shí)現(xiàn)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]。

　　微帶天線設(shè)計(jì)

　　根據(jù)微帶天線理論，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數(shù)、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滿足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分別是天線的高度和寬度。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮邊緣場(chǎng)的影響，要對(duì)L值進(jìn)行修正，因此L由公式(4)決定：

　　因?yàn)殡妶?chǎng)沿 L方向非均勻分布，故可通過改變同軸饋點(diǎn)在 L方向上的位置來(lái)改變饋電點(diǎn)的阻抗大小，達(dá)到信號(hào)的匹配狀態(tài)。饋電點(diǎn)位置的導(dǎo)納如公式(6)所示：

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

　　設(shè)計(jì)中還要考慮到輻射電極的長(zhǎng)和寬L、W要滿足矩形貼片天線圓極化工作必要條件，即：

　　式中Q_r，Q_d，Q_e，分別對(duì)應(yīng)輻射，介質(zhì)和導(dǎo)體損耗的Q值。

　　我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，考慮到微帶天線應(yīng)用在手持?jǐn)U頻通信設(shè)備中，要求天線具有剖面薄、體積輕、小型化的特點(diǎn)。根據(jù)上述公式計(jì)算出天線的實(shí)際尺寸，然后在Agilent公司的電路和系統(tǒng)分析軟件ADS上建模，仿真優(yōu)化，得到圖4所示的天線模型。該天線工作頻率為2.4GHz，尺寸為10mm×7.88mm，天線固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，基板厚度為1.2mm。對(duì)貼片天線進(jìn)行單點(diǎn)直接饋電，饋電點(diǎn)到貼片中心的距離為4.2mm，保證了天線體積的小型化。在饋線末端開出一個(gè)0.38mm的接地孔，以便和接地層相連。Length的長(zhǎng)度與板厚有關(guān)系，板厚1.2mm，對(duì)應(yīng)的Length長(zhǎng)度為3.175mm。一體式結(jié)構(gòu)適合大規(guī)模的生產(chǎn)和調(diào)試，并且堅(jiān)固抗折，適合在卡狀設(shè)備中使用。

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