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RFID双频微带天线仿真与设计

2017/2/27    来源:互联网    作者:董成菠      
关键字:射频识别  双频  微带天线  
本文主要对双频微带天线的理论知识进行介绍,并设计了一款谐振频率915MHz和2.45GHz附近的双频RFID读写器微带天线,同时,利用HFSS对天线进行仿真、优化。最后加工实物利用微波暗室对天线的性能进行测试。

    5. 天线的加工、测试、调试、误差分析和改进

    5.1 天线实物的加工、测试、

    考虑的成本问题,本设计采用材料是较为便宜和普遍的铜箔和1.2mm介电常数为4.4的FR4单面覆铜板材。天线的辐射部分为铜箔,利用激光雕刻机对铜箔进行切割,开槽从而得到辐射贴片。天线的馈电采用的是同轴线背馈,匹配负载的匹配阻抗为50欧姆。由于辐射贴片与基板之间时空气层,考虑到实验环境,我们用泡沫对代替空气层,对贴片起到一定的支撑作用。

    如图5-1所示为天线加工,焊接完成的实物图。利用矢量网络分析仪,对天线的进行实测,测试如图5-2所示

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图5-1天线加工实物图                                  图5-1天线加工、焊接完成的实物图

    5.2 天线的测试结果

    图5-3所示为天线实测的回波损耗参数,天线的两个中心频率为912MHz和2.12GHz。图5-4所示为失量网络分析仪测试的实测的驻波比图,如图所示天线在912MHz和2.12GHz天线的驻波比为分别为1.19和1.44天线的反射率低于4%,符合天线能量反射损耗的要求。

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图5-3 天线回波损耗 图5-4 天线的驻波比

    5.3 天线的误差分析

    通过对双频天线的实际测量,天线在低频时中心频率为912MHz符合预期结果。天线在高频时实测中心频率值为2.12GHz与预期的2.45GHz相差300MHz。实测时高频结果相差比较大。由此可见该双频天线在低频时抗干扰能力比高频时抗干扰能力强。考虑到天线辐射贴片为铜片容易变形且在现有的实验室条件下对其加工时尺寸会存在一定的误差。同时在设计时,天线在设计时辐射贴片与基板之间存在空气层,考虑到实验室环境利用同等高度的泡沫代替空气层对天线起到支撑作用。

    在对天线进行实测时,基板与贴片之间空气层用泡沫代替,但是泡沫介电常数比空气略高,通过对泡沫介电常数从1.1到1.5进行扫描发现随着介电常数增加,高频中心频率向左偏移。介电常数与中心频率关系如表5-1所示:

    表5-1 介电常数与中心频率关系

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    另外,在第四章中对天线的优化中发现基板与辐射贴片之间的高度,矩形缝隙宽度ws都会对天线的中心频率有一定影响。在对中心开槽的圆形半径b进行扫描时发现当b大于18mm时天线的两个中心频率在向中心靠拢。而这些尺寸方面的误差都可能会在加工过程中出现,从而使高频频率发生偏差。除此之外,在焊接匹配负载的时候,由于手工的焊接对馈电的位置把握和焊接工艺的偏差都会对加工的天线实物测试结果产生影响。

    6. 总结

    本文对射频技术进行了总体阐述,对RFID技术的发展等做了简单阐述。在理论知识方面首先介绍了天线的各项性能参数,例如:天线的增益、方向性、天线的极化、输入阻抗、驻波比等。随后举例矩形微带天线说明微带天线的工作原理。在第三章中介绍了天线实现多频的方法。在第四章和第五章中设计仿真了一款双频RFID微带天线,并对天线进行了加工实测。在论文设计过程中,充分利用了学校的图书资源和检索库的资源,学习了很多相关知识。利用业余时间学习了电磁仿真软件hfss,能利用仿真软件对天线进行仿真优化。在老师的指导下对天线的实物加工过程有了一定的了解,并在老师的带领下通过矢量网络分析仪对天线进行测试。尽管如此,在整个论文设计中也走了很多弯路,在之前设计仿真得几款天线由于没有考虑到材料的成本和加工的难度,导致难以实现的问题。

责任编辑:张纯子
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