RFID偶極子天線設(shè)計(jì)與仿真

1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目 RFID偶極子天線設(shè)計(jì)與仿真物理信息工程 學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù) 專(zhuān)業(yè) 07 級(jí)1班學(xué)生姓名 連勁松 學(xué)號(hào) 070303044 指導(dǎo)教師 余燕忠 職稱(chēng) 副 教 授 完成日期 2011年4月 教務(wù)處 制RFID偶極天線的設(shè)計(jì)和分析物理信息工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè) 070303044 連勁松指導(dǎo)教師：余燕忠 副教授 【摘要】：RFID偶極天線因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且效率高的優(yōu)點(diǎn)，且可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID應(yīng)用系統(tǒng)，已成為RFID標(biāo)簽天線應(yīng)用最廣泛的天線結(jié)構(gòu)。本文基于Ansoft HFSS平臺(tái)上，主要對(duì)RFID中常用的不同結(jié)構(gòu)的偶極天線進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，并且分析影

2、響天線性能的因素，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 【關(guān)鍵詞】：射頻識(shí)別；偶極天線；RFID標(biāo)簽?zāi)夸浾?0.引言31.RFID的發(fā)展?fàn)顩r31.1發(fā)展歷史31.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀42.RFID的理論基礎(chǔ)4RFID的工作原理4RFID系統(tǒng)中的天線的作用53.RFID系統(tǒng)中的天線類(lèi)型53.1線圈天線53.2縫隙（微帶貼片）天線73.3偶極子天線74.本文任務(wù)要求85.偶極子天線仿真設(shè)計(jì)與分析85.1半波偶極子天線85.2彎折偶極子天線115.3折合偶極子天線155.4變形偶極子天線176.影響偶極子天線工作性能的因素197.總結(jié)2020設(shè)計(jì)感想20參考文獻(xiàn)21致謝220. 引言 射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Freq

3、uency Identification ，簡(jiǎn)稱(chēng)RFID）是從二十世紀(jì)九十年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸式的雙向通信，可達(dá)到識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的1。與傳統(tǒng)的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)具有傳輸速率快、大批量讀取、防沖撞等特點(diǎn)，隨著射頻識(shí)別技術(shù)的成熟，RFID技術(shù)廣泛的應(yīng)用于物流、交通、零售、醫(yī)療等領(lǐng)域1。根據(jù)工作頻段的不同，在RFID系統(tǒng)中選用不同類(lèi)型的的天線，RFID標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于技術(shù)的局限性，在一些領(lǐng)域又略顯不足，因此分析與設(shè)計(jì)偶極子天線在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很強(qiáng)的重要性。1.1 發(fā)展歷史從信息傳遞的原理上來(lái)

4、說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展是基于在低頻段的變壓器耦合模型，和在高頻段的雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型2。1948年，美國(guó)科學(xué)家哈里斯托克曼的“利用反射功率的通信”一文的發(fā)表奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。按照時(shí)間的發(fā)展，把射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展劃分如下： 19401950年：雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用催生了射頻識(shí)別技術(shù)，1948年射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)得以奠定。 19501960年：處于早期探索階段，主要是在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。 19601970年：射頻識(shí)別技術(shù)理論得到發(fā)展，開(kāi)始了一些初步應(yīng)用嘗試。 19701980年：射頻識(shí)別技術(shù)與產(chǎn)品處于得到大力發(fā)展時(shí)期，測(cè)試各種射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)驗(yàn)得到加速，并出現(xiàn)了最早的射頻識(shí)別應(yīng)用

5、。 19801990年：射頻識(shí)別技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，各種規(guī)模的應(yīng)用逐步出現(xiàn)。 19902000年：射頻識(shí)別產(chǎn)品的廣泛采用使得射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題得到重視，射頻識(shí)別產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活中的一部分。 2000年后：標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題日趨為人們所重視，已形成初步標(biāo)準(zhǔn)化體系，射頻識(shí)別產(chǎn)品種類(lèi)也更加繁多，有源電子標(biāo)簽、無(wú)源電子標(biāo)簽和半無(wú)源電子標(biāo)簽均得到大步發(fā)展，電子標(biāo)簽的成本不斷降低，應(yīng)用規(guī)模和應(yīng)用行業(yè)逐步擴(kuò)大2。 至今，射頻識(shí)別技術(shù)的理論已經(jīng)較為完善。射頻識(shí)別產(chǎn)品種類(lèi)也更加豐富，單芯片電子標(biāo)簽識(shí)讀、多芯片電子標(biāo)簽識(shí)讀、無(wú)線電子標(biāo)簽讀寫(xiě)、無(wú)源電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離識(shí)別、適用高速移動(dòng)物體的各種射頻識(shí)別技術(shù)與

6、產(chǎn)品正在逐步實(shí)現(xiàn)并走向規(guī)模應(yīng)用2。21，在封閉系統(tǒng)應(yīng)用方面上，基本能有美國(guó)走在同一層次，其RFID標(biāo)準(zhǔn)緊隨著由美國(guó)主導(dǎo)的EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)；5.8GHz系統(tǒng)則在日本和韓國(guó)有較為成熟的有源RFID系統(tǒng)，但是成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還有一段很長(zhǎng)的路要走。 RFID技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展還較為落后，相較與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)，我國(guó)在超高頻RFID方面還缺乏關(guān)鍵的核心技術(shù)，技術(shù)相對(duì)欠缺。但是我們同時(shí)應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然我國(guó)在RFID產(chǎn)業(yè)起步較晚，但是發(fā)展較快，近來(lái)來(lái)，已逐步具有了自主開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)低頻、高頻與微波電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器的技術(shù)以及系統(tǒng)集成的能力2。目前，我國(guó)的北京、上海、廣東這三個(gè)地區(qū)已成為我國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的領(lǐng)頭

7、羊和主導(dǎo)力量，已出現(xiàn)一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新型企業(yè)。RFID作為一項(xiàng)迅速發(fā)展的新興技術(shù)，將廣泛的應(yīng)用于社會(huì)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，在我國(guó)具有良好廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。2. RFID的理論基礎(chǔ)2.1 RFID的工作原理射頻識(shí)別系統(tǒng)主要包括以下兩個(gè)部分，一是讀寫(xiě)器（Target)，二是電子標(biāo)簽(或稱(chēng)射頻卡、應(yīng)答器等)，另外還應(yīng)包括天線，后臺(tái)計(jì)算機(jī)等3。在具體的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們可以根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，組成有所不同的RFID系統(tǒng)，但從RFID系統(tǒng)的基本工作原理上來(lái)看，系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收機(jī)、天線這幾部分組成，其原理也是一樣的4。 圖1 RFID系統(tǒng)原理框圖RFID系統(tǒng)的工作原理是：

8、首先，由標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器發(fā)射頻場(chǎng)后，接收到由閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，之后天線將憑借獲得的感應(yīng)電流升壓電路，作為能量，此時(shí)發(fā)送出存儲(chǔ)于芯片中的信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，而閱讀器經(jīng)過(guò)邏輯電路，讀取并解碼信息后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，完成了這樣一個(gè)過(guò)程。 2.2 RFID系統(tǒng)中的天線的作用從RFID技術(shù)原理上來(lái)看，整個(gè)RFID系統(tǒng)的性能就是關(guān)鍵于RFID標(biāo)簽天線的性能。RFID系統(tǒng)運(yùn)作的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)和能量傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，而射頻信號(hào)的通信其基本工作原理就是通過(guò)閱讀器天線和標(biāo)簽天線的空間耦合進(jìn)行傳遞4。一方面，RFID標(biāo)簽芯片啟動(dòng)電路開(kāi)始工作時(shí)需要天線在讀寫(xiě)器發(fā)射頻場(chǎng)中獲得足夠

9、的能量；另一方面來(lái)說(shuō)，天線的選擇決定了標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的通信信道和通信方式3。因此，天線在整個(gè) RFID系統(tǒng)中扮演著重要的角色，RFID標(biāo)簽天線的性能也就成為整個(gè)RFID系統(tǒng)的性能的關(guān)鍵。3. RFID系統(tǒng)中的天線類(lèi)型在RFID天線常見(jiàn)類(lèi)型中，主要有線圈型天線、縫隙（包括微帶貼片）型天線、偶極子型天線三種基本形式。在這其中，線圈型天線的定義就是將金屬線盤(pán)繞成平面或?qū)⒔饘倬€纏繞在磁心上而做成的天線5，在實(shí)際應(yīng)用中，線圈型天線一般是用于近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線眾，應(yīng)用的距離一般小于1m；縫隙型天線是由金屬表面切出來(lái)的凹槽構(gòu)成一種天線，其中，微帶貼片天線是由一塊末端帶有矩形的電路板，再由金屬表面

10、切出來(lái)的凹槽構(gòu)成的，矩形電路板的的長(zhǎng)度決定其頻率的范圍；偶極子天線就是由兩端粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成的，也是最基本的天線，天線的信號(hào)由中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，頻率范圍由偶極子天線的長(zhǎng)度決定4。采用縫隙（包括微帶貼片）型天線或偶極子型的RFID天線一般是應(yīng)用距離達(dá)到1m以上的遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)，它們工作頻段集中在高頻或微波頻段。3.1 線圈型天線當(dāng)線圈型天線進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的發(fā)射頻場(chǎng)，由于受到交變磁場(chǎng)的影響，讀寫(xiě)器與RFID天線之間就相當(dāng)于變壓器的相互作用，此時(shí)，二者的線圈就類(lèi)似于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈4。如圖2所示為應(yīng)答器的等效線路圖，在RFID的線圈天線形產(chǎn)生的諧振回路中，包括有RFID天

11、線的線圈電感、寄生電容（Cp）以及并聯(lián)電容(C2') ,諧振頻率：（式中C為Cp和C2' 的并聯(lián)等效電容）。圖2 等效電路圖讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的雙向通信使用的頻率就是。當(dāng)要求標(biāo)簽天線線圈外形尺寸很小,又需求具有一定的工作距離,讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的天線線圈互感量(M)就無(wú)法滿足實(shí)際需求,所以我們可以在標(biāo)簽天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率()的材料,通常為鐵氧體材料，用以增大互感量,從而解決了補(bǔ)償線圈橫截面小的問(wèn)題5。3.2 縫隙（微帶貼片）天線縫隙天線具有輪廓低、重量輕、易于加工、易與物體共形、電性能多樣化、使寬帶與有源器件和電路集成為一體的組件等特點(diǎn),能簡(jiǎn)化整機(jī)的制作與調(diào)試,特別適用于高速

12、飛行體，也教容易組成陣列天線。 圖3 微帶天線微帶貼片天線是由導(dǎo)體薄片粘貼在帶有金屬底板介質(zhì)基片上所形成的天線,如圖3所示，我們可以根據(jù)天線的實(shí)際應(yīng)用和輻射特性,將貼片導(dǎo)體設(shè)計(jì)為各種形狀。通常貼片天線的導(dǎo)體薄片與金屬導(dǎo)體接地板的距離為幾十分之一波長(zhǎng),天線的散射截面小，天線的輻射基本是由貼片導(dǎo)體開(kāi)路邊沿的邊緣場(chǎng)所引起的,因此輻射方向基本確定,能得到單方向的寬瓣方向圖，一般用于包括衛(wèi)星通信、雷達(dá)、制導(dǎo)武器等RFID應(yīng)用系統(tǒng)中5. 3.3 偶極子天線在遠(yuǎn)距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中（應(yīng)用距離1m以上）,用的最廣泛的是偶極子天線。如圖4所示，偶極子天線由兩段等長(zhǎng)等粗細(xì)的直導(dǎo)線排成一條直線所構(gòu)成的,當(dāng)天

13、線的信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入時(shí),偶極子的兩臂上就會(huì)產(chǎn)生一定的電流分布,天線周?chē)臻g就被分布的電流激發(fā)，形成了電磁場(chǎng)。圖4 偶極子天線當(dāng)偶極子的單個(gè)振子長(zhǎng)度L=/4時(shí)(半波振子),輸入阻抗的電抗分量為零,這時(shí)候，偶極子天線的輸入阻抗就可以視為一個(gè)純電阻.忽略天線的橫向影響,偶極子天線就可以設(shè)計(jì)為取振子的長(zhǎng)度L為/4的整數(shù)倍5。偶極子天線具有輻射能力好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn),可以設(shè)計(jì)成適用于全方位通信的RFID系統(tǒng),因此是目前被應(yīng)用最為廣泛的RFID標(biāo)簽天線。4. 本文任務(wù)設(shè)計(jì)要求本文任務(wù)是基于在Ansoft HFSS軟件上設(shè)計(jì)和分析RFID偶極子天線，偶極子天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，且

14、可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID應(yīng)用系統(tǒng)，已成為RFID標(biāo)簽天線應(yīng)用最廣泛的天線結(jié)構(gòu)，研究RFID偶極子具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。天線的中心頻率是2.45GHz（國(guó)際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻度）,利用Ansoft HFSS軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的偶極子進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)得到的仿真結(jié)果進(jìn)行性能比較，得出偶極子天線的最佳結(jié)構(gòu)以及分析天線的影響因素。1. 偶極子天線的仿真設(shè)計(jì)與分析5.1 半波偶極子半波偶極子天線就是指天線的的長(zhǎng)度為半個(gè)波長(zhǎng)，由于半波偶極子是基本的天線結(jié)構(gòu),所以很多天線都是在半波振子的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。半波偶極子天線的模型及參數(shù)圖如圖所示，圖5-1-1為為天線模型的仿真圖，偶極子天線位于充滿空氣的立方

15、體中心，采用銅材料(電導(dǎo)率:5.8e7 s/m,磁導(dǎo)率:1)的半波振子.在立方體外表面設(shè)定輻射邊界.輸入信號(hào)由天線臂的中心處饋入.對(duì)應(yīng)于2.45 GHz的工作頻率，天線的波長(zhǎng)約為122mm,設(shè)偶極子天線臂寬w為0.5 mm,由于天線臂寬的橫向影響,實(shí)際仿真的半波偶極子天線臂長(zhǎng)度為2L=57mm，各振子的長(zhǎng)度L=28.5mm。 圖5-1-1 半波偶極子天線模型圖 在Ansoft HFSS軟件平臺(tái)上,對(duì)該天線進(jìn)行仿真,獲得的反射系數(shù)曲線圖如圖5-1-211為-16.3dB，天線最大增益為1.3dB。 圖5-1-2 半波偶極子反射系數(shù)曲線圖 圖5-1-3 半波偶極子遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖 圖5-1-4 半波

16、偶極子三維立體方向圖5.2 彎折偶極子天線 對(duì)于直線對(duì)稱(chēng)振子，當(dāng)0.625時(shí)，由于在臂上出現(xiàn)了反向電流，導(dǎo)致方向瓣分裂，垂直振子方向上的輻射減弱，天線增益下降。如果將振子臂的形式改成折線或曲線，利用多線元之間射線的波程差引起的相位差來(lái)補(bǔ)償電流的相位差，則=0.75的曲線振子可降低副瓣，增強(qiáng)在振子對(duì)稱(chēng)軸方向的輻射，從而得到較高的增益2。 因此在半波偶極子天線的基礎(chǔ)上，我們提出了一種尺寸縮減特性的偶極子天線-彎折偶極子天線，如圖5-2-1為彎折偶極子的示意圖,彎折次數(shù)n分別為0,1,2,3,4。當(dāng)n=0即是典型的半波偶極子天線，天線各振子的長(zhǎng)度L=，且天線臂上的各個(gè)線元長(zhǎng)度及間隔均相等，為。天線的

17、設(shè)計(jì)就是要通過(guò)選擇合適的曲線彎折次數(shù)、高度、角度等參數(shù)來(lái)獲得相匹配的輸入阻抗，調(diào)節(jié)諧振頻率，并達(dá)到尺寸縮減的作用。 圖5-2-1 彎折偶極子天線示意圖 圖5-2-2 n=4 彎折偶極子天線模型圖 圖5-2-3 n=1 彎折偶極子反射系數(shù)曲線圖 圖5-2-4 n=2 彎折偶極子反射系數(shù)曲線圖 圖5-2-5 n=3 彎折偶極子反射系數(shù)曲線圖 圖5-2-6 n=4 彎折偶極子反射系數(shù)曲線圖彎折數(shù)N諧振頻率/GHz諧振點(diǎn)S11參數(shù)/dB諧振點(diǎn)增益/dBi 0 1 23 4 表1 彎折偶極子天線參數(shù)列表圖5-2-7 n=4 彎折偶極子曲線圖 由圖5-2-3、5-2-4、5-2-5、5-2-6和表1顯示的

18、結(jié)果可以看出，在不改變彎折偶極子天線兩個(gè)振子的長(zhǎng)度下，當(dāng)n=1時(shí)，天線的諧振頻率比n=0時(shí)下降了200MHz；n=2時(shí)，天線的諧振頻率比n=1時(shí)下降了140MHz；n=3時(shí)，天線的諧振頻率比n=2時(shí)下降了126MHz；n=4時(shí)，天線的諧振頻率比n=3時(shí)下降了124MHz。由此我們得出，隨著彎折次數(shù)n的增加，彎折偶極子天線的諧振頻率逐漸下降，但是下降的趨勢(shì)逐漸減緩。諧振點(diǎn)的阻抗也會(huì)隨著彎折次數(shù)n的增加而逐漸下降，下降趨勢(shì)基本與諧振頻率保持一致3。因此，用增加彎折次數(shù)的方法可以有效地降低天線的諧振頻率,控制天線的輸入阻抗，同時(shí)由圖5-2-7得出，與半波偶極子相比較而言,彎折偶極子天線的遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向

19、圖基本保持不變4。 因此，與半波偶極子天線相比,彎折偶極子天線結(jié)構(gòu)具有理想的尺寸縮減特性,通過(guò)改變彎折次數(shù),可以有效地調(diào)整天線諧振特性，彎折偶極子天線是實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽天線小型化的有效途徑。同理，通過(guò)改變彎折高度h和增加彎折角度同樣可以改變天線的諧振參數(shù)，也具有較好的尺寸縮減特性2。5.3 折合偶極子天線很多年來(lái)，天線設(shè)計(jì)一般都是與50或75相匹配，而在RFID的實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽天線的阻抗可能不再是50或75，天線具有自身的固有阻抗。所以，在小尺寸、低成本等條件的限制下，要使標(biāo)簽天線能與電路達(dá)到良好的阻抗匹配是具有一定的挑戰(zhàn)性5。針對(duì)這樣的問(wèn)題，如采用圖5-3-1的拆合偶極子天線，對(duì)于要求達(dá)到

20、較高的輸入阻抗電路，就可以只要通過(guò)優(yōu)化天線的幾何尺寸就能達(dá)到較好的阻抗匹配，與電路相匹配6。在折合偶極子天線中，兩個(gè)折疊線實(shí)際取代了一般偶極子天線的直線，折合偶極子天線本質(zhì)上是相當(dāng)用無(wú)感電阻相互連接且兩端折疊的環(huán)型天線。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了阻抗調(diào)整的空間，特別是輸入阻抗，天線的幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)就確定了天線的變化阻抗，而與帶寬的關(guān)系不存在關(guān)系6。 折合偶極子天線的模型和仿真圖如圖所示，圖5-3-2為天線的模型圖，中心頻率取2.45GHz，振子的長(zhǎng)度L=/2,間隔D。 圖5-3-1 折合偶極子天線示意圖 圖5-3-2 折合偶極子天線模型圖 折合偶極子陣子具有較高的輸入電阻，這與它的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)，等粗

21、細(xì)折合振子的輸入電阻等于半波陣子輸入電阻的4倍。因此折合振子具有高輸入電阻的突出特點(diǎn)。實(shí)際工作中不一定剛好要求折合振子的輸入電阻式半波振子的4倍，這時(shí)候就可以采用不等粗細(xì)折合振子結(jié)構(gòu)5。 圖5-3-3 折合偶極子天線遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖 圖5-3-4 折合偶極子天線三維立體方向圖 折合振子除了輸入電阻大的優(yōu)點(diǎn)之外，而且為它的橫截面積較大，相當(dāng)于直徑較大的振子，而振子越粗，等效特性阻抗越低，輸入電阻就能隨著頻率的變化比較平緩的變化，非常有利于在寬頻帶內(nèi)保持良好的阻抗匹配，所以折合振子還具有工作帶寬相較于普通的半波振子寬的優(yōu)點(diǎn)7。實(shí)驗(yàn)證明，如果D值選得大一些，不僅容易加工，而且工作頻帶較寬，但是D值如果

22、選擇太大，這個(gè)時(shí)候兩個(gè)窄帶將產(chǎn)生輻射，反而會(huì)使天線增益下降，方向性變壞，故通常取D=（0.01-0.03）5。 折合偶極子天線的設(shè)計(jì)不僅達(dá)到了縮減了天線的尺寸目的，而且具有了所需要的輸入阻抗能通過(guò)選擇合適的幾何參數(shù)輕易獲得的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)特殊阻抗需求的RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)是非常有價(jià)值的。在實(shí)際應(yīng)用中，常把折合振子用于引向天線，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明，折合振子能把引向天線的輸入電阻擴(kuò)大了K倍。因此折合振子在引向天線中被廣泛地用作有源振子5。5.4 變形偶極子天線 基于半波偶極子天線的基礎(chǔ)上，為了獲得天線的全方位輻射,可以將天線做適當(dāng)?shù)淖兓?。如圖5-4-1所示，本文提出了在偶極子天線臂末端垂直方向上延長(zhǎng).

23、經(jīng)過(guò)這樣的改變之后，天線總長(zhǎng)度為114 mm,天線臂寬仍然為. 圖5-4-1 變形偶極子天線示意圖 當(dāng)天線臂延長(zhǎng)/4后,整個(gè)天線諧振于一個(gè)波長(zhǎng),而就不是原來(lái)的半個(gè)波長(zhǎng).這就使得天線的輸入阻抗大大地增加. 在Ansoft HFSS工具平臺(tái)上,對(duì)該天線進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖所示，圖5-4-2為天線的模型圖，圖5-4-3為遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖。電壓駐波比(VSWR)小于2.0時(shí)的阻抗帶寬為12.6%,增益為1.42,該天線可以滿足大部分RFID應(yīng)用系統(tǒng)的要求。圖5-4-2 變形偶極子天線模型圖圖5-4-3 變形偶極子天線遠(yuǎn)場(chǎng)增益方向圖圖5-4-3 變形偶極子天線三維立體方向圖6. 影響偶極子天線工作性能

24、的因素 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)是受很多條件制約的，從實(shí)際中來(lái)講，電子標(biāo)簽可以設(shè)計(jì)成附著在各種材料上，如金屬、塑料甚至玻璃等等。這些本身具有各種特性的物質(zhì)對(duì)電子標(biāo)簽天線的性能有較大的影響，因此如何設(shè)計(jì)出能附著在不同物質(zhì)上的高性能標(biāo)簽是目前RFID行業(yè)的難題。而從結(jié)構(gòu)上來(lái)考慮，標(biāo)簽天線本身的結(jié)構(gòu)也是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，如天線的形式、天線的尺寸、饋點(diǎn)的位置、彎曲程度等等2。 從微觀上入手，一一分析天線的結(jié)構(gòu)造成的影響。首先，天線尺寸是一個(gè)不可忽略的重要因素。不同的尺寸對(duì)已同一結(jié)構(gòu)同一應(yīng)用環(huán)境的天線應(yīng)用是不同的甚至是巨大的，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)設(shè)計(jì)需要，并且綜合考慮多方面因素，達(dá)到最優(yōu)尺寸的設(shè)計(jì)目的4。

25、 另外在天線的設(shè)計(jì)中，要盡量使天線單元的輸入阻抗與負(fù)載相近，以減小駐波，增大天線的效率，這就要求對(duì)較好的饋電位置的選擇。不同饋電位置偶極子天線輸入電阻差別比較大，發(fā)生諧振的頻率和個(gè)數(shù)各不相同。而且，饋電點(diǎn)距離單元中心越遠(yuǎn)，輸入阻抗的峰值出現(xiàn)的頻率越大8。 最后，在實(shí)際生活中，工作在超高頻（UHF）頻段的RFID標(biāo)簽大多采用對(duì)稱(chēng)振子線天線且一般附于軟襯底上。標(biāo)簽天線有可能會(huì)發(fā)生折疊、彎曲等隨形變的現(xiàn)象2。結(jié)構(gòu)的扭曲變形達(dá)到某種程度就會(huì)改變標(biāo)簽天線的性能，所引起的天線性能的變化可能會(huì)對(duì)RFID系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，因此形變?cè)谔炀€結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中是值得考慮的。7. 總結(jié)7.1 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題及處

26、理在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一開(kāi)始由于沒(méi)有詳細(xì)的閱讀有關(guān)文獻(xiàn)資料，以致在Ansoft HFSS軟件的仿真中，出現(xiàn)了天線模型，尺寸選擇方面上的難題，耗費(fèi)了大量的時(shí)間。在第一次完成建模之后，又發(fā)現(xiàn)所得出的方向圖有偏差，經(jīng)過(guò)老師的悉心指導(dǎo)以及查閱資料后，發(fā)現(xiàn)了是由于激勵(lì)端口的材質(zhì)選擇錯(cuò)誤，導(dǎo)致仿真結(jié)果達(dá)不到原來(lái)的預(yù)期效果。在經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的仿真過(guò)程后，對(duì)設(shè)計(jì)的不斷熟悉，并且逐漸摸索出設(shè)計(jì)的方法，得到了較為良好的效果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 設(shè)計(jì)感想這是我的的畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是我大學(xué)四年的最后一份作業(yè)。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)給我?guī)?lái)的是，不但但是鞏固了在大學(xué)4年內(nèi)學(xué)過(guò)的知識(shí)，尤其是天線的微波技術(shù)和電波傳播方面的知識(shí)，

27、同時(shí)通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)提高自己的思維和邏輯能力，通過(guò)軟件的運(yùn)用增強(qiáng)了動(dòng)手能力以及獲得一些經(jīng)驗(yàn)，從中了解并克服了自己在知識(shí)領(lǐng)域的不足和缺陷。另外，由于實(shí)踐及理論方面都存在不足，設(shè)計(jì)仍存在一些問(wèn)題，技能日后有待提高，實(shí)踐與理論知識(shí)還要繼續(xù)鞏固加強(qiáng)。參考文獻(xiàn)：1丁建.射頻識(shí)別技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景J.射頻世界,2010,5:52-55.2 尚丹.偶極子天線在電子標(biāo)簽中的應(yīng)用研究J.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào).2007,3(14):4-58.3金穎妮,鄭正奇,王秀貞等.RFID標(biāo)簽天線的研究現(xiàn)狀及熱點(diǎn)問(wèn)題探討J.電信科學(xué),2008,8(2):70-73.4 陳華君,林凡,郭東輝等.RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計(jì)J.廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,6（44):312-315.5 宋錚,張建華,黃治.天線與電波傳播M.西安電子科技大學(xué)出版社,2003.6J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,6（11):351-354.7 賴(lài)曉錚,賴(lài)聲禮,張瑞娜.偶極子RFID標(biāo)簽天線研究J.科