多频天线方法和RFID双频微带天线的仿真与设计

1. 简介

RFID技术或射频识别技术是一种无线通信技术. 其技术原理是一种通过射频信号的空间耦合（交变磁场或电磁场）实现非接触式数据交换和相互识别的技术. RFID系统的组件大致包括计算机系统，读取器和标签. 读取器是由天线，耦合元件和读取和写入标签信息的芯片组成的设备. 标签是一种由天线，耦合元件和作为应答器的芯片组成的设备. 该计算机系统使用应用层软件来进一步处理所收集的数据并实现该应用. 射频识别已广泛用于商品物流跟踪，物联网技术和支付系统中. 因此，RFID技术的研究对国民经济的发展具有深远的意义.

2. 微带天线概述

2.1微带天线的概念，开发与应用

微带天线是一种由介电基板制成的天线，介电基板的一侧具有某种形状的金属贴片，而另一侧具有导电的接地板. 微带天线通常配有微带传输线或同轴探头[5]. 1953年，Deschamps率先提出了微带辐射器的概念. 1970年代后，随着光刻技术的发展和微带天线的理论模型，制造出了实际的微带天线. 如今，微带天线已广泛用于卫星通信，雷达，生物医学，无线通信设备，射频识别系统等.

2.2微带天线的优缺点

优点: 体积小，重量轻，外形小巧，易于集成，成本低，可以顺应载波，易于实现双频双极化，无需添加额外的匹配电路.

缺点: 增益低，谐振频率带宽低，辐射空间小，辐射功率小等.

2.3天线带宽

任何天线的工作频率都有一定范围. 天线的电参数随频率变化. 当在允许范围内定义天线电参数的频率范围时，即天线的带宽.

如果天线的中心工作频率为∫0，则最大工作频率为∫max，最小工作频率为∫min.

天线的绝对带宽？ ∫=∫max-∫min，相对带宽为（？∫）/（∫0）. 对于宽带天线，通常使用带宽（∫max）/（∫min）.

3. 天线多频的实现方法

3.1天线多频的实现方法

传统的RFID天线通常在单个频带内工作，而多频读取器天线可以同时读取多个频带中的标签. 目前实现多频的技术大致可分为以下三种:

（1）正交模式双频微带天线

在正交模式下实现双频的方法是使用具有两个正交面（例如TM10和TM01）的矩形辐射贴片的第一谐振频率来实现双频. 该方法的局限性在于两个频率为正. 交叉极化，但以低成本和短距离被广泛使用. 以上实现双频的方法可以推广到任何形状的贴片. 我们称这种类型的天线为正交模式双频贴片天线，其特征是使用两个正交极化的谐振模式. 根据不同的馈电方式，这种天线可以分为单馈和双馈两种. 具体的进给方式包括: 探针进给，缝隙进给和电磁耦合进给.

（2）多芯片多频天线

多芯片多频天线使用多个辐射单元来实现双频，并且所获得的双频极化可以是相同的极化模式或多极化. 该天线可以具有多个贴片结构，即堆叠结构和共面多频谐振器结构.

（3）无功负载贴片天线

无功负载补丁技术是目前使用最广泛的双频技术. 它通过在单个贴片上加载电抗负载来获得双频. 无功负载包括短线，缺口，引脚和电容器以及间隙.

除上述三种方法外，还有其他实现双频的方法，例如分形天线，气隙天线等.

3.2多频天线的实现

如图3-1所示，它是三频单极天线的仿真模型. 图中的天线由两个单极天线模块组成，分别产生两个谐振频率. 同时，ACPW结构用于在产生第三频率的同时馈入单极子. 天线使用多个贴片和缝隙耦合来实现多个工作频率[9]. 产生的天线回波阻抗如图3-2所示:

图3-1天线模型图图3-2天线的回波阻抗图

如图所示，该天线可实现三个工作频率，分别为0.88MHz，1.6GHz和2.49GHz.

3.3处理和测试

如图3-3所示，是三频天线的处理后的物理图. 微波消声室和网损用于测量天线方向图和回波参数. 结果显示在下面的图3-4和图3-5中.

图3-3三频段天线的物理图图3-5天线在2.45GHz处测得的方向图图3-5天线测得的回波参数

在许多领域，多频带天线变得越来越紧迫. 例如，在射频技术的应用中，有许多现代的射频标准，例如工作在915MHZ，2.45GHz，5.8GHz等. 要同时实现两个或多个频段应用，天线必须具有必须设计两个工作频率. 再例如，中国的移动通信正处于2G，3G和4G混合应用时代. 许多手机需要在多种网络类型上工作，例如GSM900 / 1800 / 2100MHz，GPRS，EDGE和WCDMA.

4. 双频RFID天线的仿真和优化

4.1双频RFID天线设计指标

在超高频下，射频识别技术（RFID）的通用工作频率为860〜930MHz，而微波频段的通用频率约为2.45GHz. 因此，本文设计了一种双频RFID阅读器天线，该天线同时工作在915MHz和2.45GHz左右. 915MHz时增益为5，而2.45MHz时增益为10. 天线尺寸为226x188mm. 考虑到实践中的成本问题，我们使用FR4作为介电基板，它是一种更流行且便宜的1.2mm厚度，而天线的辐射贴片则使用铜. 天线的馈电方式是同轴后馈.

4.2双频RFID天线结构

4.2.1辐射补丁结构

天线的辐射补丁如图4-1所示，其中蓝色部分是开槽部分:

图4-1天线模型图4-2同轴馈电部分

4.2.2天线馈源

天线馈源是一种连接天线和之间的电信号能量传输的设备. 有很多方法可以给天线供电. 在微带天线中，同轴线是使用最广泛的馈电方法. 一. 如图3-2所示，使用同轴电缆进线. 红色栏是天线馈源.

4.3天线优化

我们可以通过调整天线的某些参数来改变天线的性能. 使用hfss调整一些天线到天线参数以获得最佳结果. 辐射贴片与基板之间的空气层h的高度从6mm调整为8mm，调整步长为0.2mm. 天线的回波参数如图4-3所示. 通过调整，发现当距离在6mm至8mm之间时，天线的两个工作频率影响较小，而在高频和低频之间出现第三个频率. 当h为7mm时，多余频率s11低于10dB，满足要求. 调整天线矩形插槽的宽度ws. 当ws的宽度为2mm时，天线是最佳的. 如图4-4所示:

图4-3更改h天线的回波参数图4-4 ws更改对天线性能的影响

如图4-5所示，当辐射贴片与基板之间的高度为7mm时，将贴片的内半径b从14mm调整为24mm，并且当b为18mm时天线将是最佳的. 当b小于18mm时，它对天线中心频率的影响较小，但会减小其回波参数. 当b大于18时，中心频率向中心偏移.

图4-5 b对天线的影响

优化后的天线尺寸如下表4-1所示:

表4-1最终天线尺寸

4.4天线性能指标

4.4.1天线的回波损耗

如图4-6所示，低频时天线的中心频率为910MHz，S11为-27dB，带宽为40MHz. 高频时天线的中心频率为2.46GHz，S11为-23.5dB，天线带宽为90Mhz.

图4-6天线的回波损耗图4-7天线的史密斯圆图

4.4.2史密斯圆图结果和输入阻抗

如图4-7所示，是天线的史密斯圆图. 从图中可以看出，当天线为910MHz时，归一化阻抗为1.0036 + 0.0824i. 天线在2.44GHz处的归一化阻抗为1.2636 + 0.0589i.

4.4.3天线的三维增益方向图

如图4-8所示，显示了天线的三维增益方向图. 天线的辐射主要在微带贴片的法线方向上，即z坐标轴的方向.

图4-8三维增益模式

4.4.4电子平面增益模式

The

E平面是最大辐射电场所在的平面. 对于此设计，它也是与xoy平面平行的微带天线. 图4-9显示了915MHz时的天线方向图. 图4-10显示了2.45GHz时的天线方向图. 图4-11显示了天线参数为915MHz时天线参数的计算机结果以及最大远场数据的计算结果. 图4-12显示了天线参数为2.45 GHz时天线参数的计算机结果以及最大远场数据的计算结果.

图4-9 E平面增益模式图4-10 2.45 GHz下的E平面增益模式

如图4-11和4-12所示，当天线处于915MHz时，天线的最大增益为6.189，最大辐射强度为0.48749w / sr，方向性系数为6.2095. 当天线为2.45Ghz时，天线的最大增益为11.342，最大辐射强度为0.89881w / sr，方向性系数为11.189. 天线仿真结果符合预期.

图4-11 915MHz天线参数最大远场数据计算结果

图4-12 2.45GHz时天线参数最大远场数据的计算结果

5. 天线的处理，测试，调试，错误分析和改进

5.1处理，测试物理天线，

考虑到成本问题，该设计使用更便宜，更常见的铜箔和FR4单面覆铜板，介电常数为1.2mm. 天线的辐射部分是铜箔. 用激光雕刻机切割铜箔并开槽以获得辐射斑. 天线的馈电是同轴反向馈电，匹配负载的匹配阻抗为50欧姆. 由于辐射贴片和基材之间存在空气层，因此考虑到实验环境，我们用泡沫对代替了空气层以在一定程度上支撑贴片.

如图5-1所示，对天线进行处理和焊接. 使用矢量网络测量天线. 测试如图5-2所示.

图5-1天线处理后的实物图图5-1天线处理并焊接后的实物图

5.2天线测试结果

图5-3显示了测得的天线回波损耗参数. 天线的两个中心频率是912MHz和2.12GHz. 图5-4显示了“丢失的网络”测试的实测驻波比. 如图所示，天线在912MHz和2.12GHz处的驻波比分别为1.19和1.44. 天线的反射率小于4％. ，满足天线能量反射损耗的要求.

图5-3天线回波损耗图5-4天线驻波比

5.3天线的误差分析

通过双频天线的实际测量，低频天线的中心频率为912MHz，与预期结果相符. 在高频下测得的天线中心频率为2.12GHz，预期的2.45GHz差为300MHz. 测量时微带天线的工作原理，高频结果差异很大. 可以看出，双频天线的低频抗干扰能力强于高频. 考虑到天线辐射贴片是铜片，容易变形，在现有实验室条件下加工时，天线贴片的尺寸会有一定误差. 同时，在设计天线时，在设计过程中，辐射贴片和基板之间会有空气层. 考虑到实验室环境使用相同高度的泡沫代替空气层来支撑天线.

实际测量天线时，基板和贴片之间的空气层被泡沫代替，但泡沫的介电常数略高于空气的介电常数. 将泡沫的介电常数从1.1扫描到1.5，发现介电常数随频率增加而增加，高频中心频率向左移动. 介电常数与中心频率的关系如表5-1所示:

表5-1介电常数与中心频率的关系

此外，在第4章中对天线的优化中，发现基板和辐射贴片之间的高度以及矩形缝隙宽度ws将对天线的中心频率产生一定的影响. 当扫描中心槽的圆半径b时，发现当b大于18mm时，天线的两个中心频率移近中心. 这些尺寸误差可能在加工过程中发生，这将导致高频频率的偏差. 此外，在焊接以匹配负载时，手动控制进给位置和焊接过程的偏差会影响已加工天线的物理测试结果.

6. 摘要

本文概述了射频技术，并简要介绍了RFID技术的发展. 根据理论知识，首先介绍天线的各种性能参数，例如: 天线增益，方向性，天线极化，输入阻抗，驻波比等. 以矩形微带天线为例，说明微带天线的工作原理. 第三章介绍了天线多频的方法. 在第4章和第5章中，设计并仿真了双频带RFID微带天线，并对天线进行了处理和测量. 在设计论文的过程中，我充分利用了学校的图书资源和搜索图书馆的资源，并学到了许多相关知识. 在业余时间，我学习了电磁仿真软件hfss，可以使用仿真软件来仿真和优化天线. 在老师的指导下，我对天线的物理处理有了一定的了解，并在老师的指导下微带天线的工作原理，通过矢量网络对天线进行了测试. 尽管如此，整个论文的设计还是走了很多弯路. 过去，以前由于没有考虑材料成本和加工难度而设计和仿真过几种天线，从而导致难以解决的问题.

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