RFID 螺旋偶极振子天线设计

RFID 螺旋偶极振子天线设计
RFID 螺旋偶极振子天线设计

for RFID Transponder of UHF Band

Kihun Chang, Sang-il Kwak, and Young Joong Yoon

Dept. of Electrical and Electronic Eng., Yonsei Univ., Seoul, Korea Phone: +822-2123-8505, Fax: +822-2123-2876, E-mail: zangief@yonsei.ac.kr

Abstract?In this paper, the small-sized spiral dipole antenna for UHF RFID transponder is proposed. For the expected application of the UHF RFID systems, such as a supply chain integration, industrial automation, track and trace, and so on, the small and efficient printed antenna is required. To reduce the antenna size and to minimize the efficiency lowering due to small size, the proposed antenna is designed to have the spiral structure rather than the meander structure. In this structure, the current cancellation on the antenna is much less than in the meander structures, and the total current induces an identical magnetic dipole, which makes the omni-directional radiation pattern. The proposed antenna is designed for UHF RFID systems of Korea, to have the operating frequency bandwidth of 908 MHz ~ 913 MHz for VSWR < 2. The antenna has the physical size of 15.5 mm by 14.8 mm, which is about lambda over 16 in electrical length. This antenna is fabricated on the PET dielectric, to be utilized as an antenna of the transponder for the application of the UHF RFID systems.

ACKNOWLEDGEMEMT

This research was supported by the MIC (Ministry of Information and Communication), Korea, under the ITRC (Information Technology Research Center) support program supervised by the IITA (Institute of Information Technology Assessment).

I. INTRODUCTION

RFID (Radio Frequency Identification) has become very popular as a wireless identification technology without either contact or a line of sight between the transponder and the reader, to lead a ubiquitous computing environment in place of the existing barcode system with low speed and small storage.

RFID systems are composed of three basic components: transponder affixed to the objects to be identified, reader located where objects are to be identified, and host systems to separate and utilize the data collected by the readers. Transponders, which are the data carrying components of the system, consist of a microchip attached to an antenna, all of which is contained within some packaging to protect the antenna and microchip. Passive UHF RFID transponders harvest all of their operating power from the reader’s communication signal, and they communicate to the reader by modulating their backscatter. [1-4]

RFID systems are divided according to the operating frequency. Generally, the low frequency RFID systems are small in readable range and reliable, however, the high frequency RFID systems have a large readable range and a poor reliability. Thus, in view of that, the UHF RFID systems are most significant at the applications such as a supply chain integration, industrial automation, track and trace, and so on. [5]

The transponder is required to be small sized and flexible

0-7803-9433-X/05/$20.00 ?2005 IEEE APMC2005 Proceedings

to easily contact any products for use of the supply chain. As previously explained, the transponder consists of an antenna and a tag microchip, thus the size of the transponder is definitely dependent on the antenna size. Thus the antenna for the transponder should be small and light. Furthermore, it should be inexpensive for the mass production, and have an omni-directional radiation pattern to be detected independently of the transponder position or direction.

Therefore, in this paper, the small-sized printed spiral dipole antenna is proposed for UHF RFID transponder. The antenna characteristics included in the operating mechanism, the radiation, and the readable ranges are investigated and examined. Based on these characteristics, the antenna is proposed as a practical use for the UHF RFID systems.

II. ANTENNA DESIGN

The configuration of the small-sized spiral dipole antenna for the UHF RFID transponders proposed in this paper is shown in Fig. 1. The proposed antenna has a printed structure with a square spiral shape. Total length of the spiral is half wavelength same as the resonant length of the dipole antenna. This is designed by bending the arms of the dipole.

In this case, since the current direction is clockwise or count clockwise according to the phase, as shown in Fig. 2, like a small loop antenna, the total current leads an identical magnetic dipole which makes the omni-directional radiation pattern with an axis normal to the transponder plane. The most of the existing antenna with the meander line for the UHF RFID transponder have the current cancellation on adjacent meandered sections which reduces the effective length of the radiator, thus these often have poor radiation, e.g. low antenna efficiency. On the other hand, the winding of the spiral dipole antenna means that the total current contributes to yield an identical magnetic dipole and that the current cancellation is much less. This gives better but still not sufficient radiation resistance for antenna. [6]

Fig. 1 Configuration of the small-sized spiral dipole antenna

for UHF RFID transponder

Fig. 2 Current distribution of the proposed antenna

The proposed antenna has the T-matching circuit, which gives the freedom of design by transform the input impedance of the antenna to 50 ohm or chip impedance.

Since the total length of the antenna is electrically half wavelength of the resonant frequency, the current distribution on the radiator is not uniform likely an ideal

基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告

.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的:运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容:矩形微带天线仿真:工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示: 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05,-16,0 28.1,32,0.794 Box Rogers 5880 (tm)GND -14.05,-16,-0.05 28.1,32,0.05 Box pec Patch -6.225,-8,0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125,-8,0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125,-16,-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40,-40,-20 80,80,40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 (1)、菜单栏File>>save as,输入0841,点击保存。 (2). 设置激励终端求解方式:菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ,点击OK。

(3)、设置模型单位:3D Modeler>Units选择mm ,点击OK。 (4)、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 (2)、重命名

输入0841 (3)点击创建GND,起始点:x:-14.05,y:-16,z:-0.05,dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec, (4)介质基片:点击,:x:-14.05,y:-16,z:0。dx: 28.1,dy: 32,dz: 0.794, 修 改名称为Sub,修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880,修改颜色为绿色,透明度0.4。

螺旋天线原理与设计基础知识

一般成品螺旋天线都用导电性能良好的金属线绕成并密封好,其工作原理下: 图1 所示一般天线结构示意图。D是螺旋天线直径,L是螺旋天线长度,ρ是螺距,Ⅰ、Ⅱ是螺旋线上相对应两点。 一般可以认为,电磁波沿金属螺旋线以光速C作匀速运动。 从Ⅰ点到Ⅱ点即进行一个螺旋,所需时间为 t = πD/C 而对螺旋天线而言,其轴向电磁波只运动行进了一个螺距ρ,其轴向等效速率 υ=ρ/t =ρ/C (πD) 这种关系也可用图2形式解释。由图2可知: υ=Csinθ=Cρ/(πD)≤C 由上式可以看出,υ总是小于等于C的。故螺旋天线能使电磁波运动速度减慢,是一个慢波系统,其等效波长λ等效小于工作波长λ。对于螺旋天线而言,应谐振于其1/4等效波长,因而能缩短螺旋天线的几何长度。 对于工作于一定中心频率的通讯机来说,其所需绕的线圈数N可以由下式近似算出:

螺距:υ=L/N 所需金属线长度:ι=NπD 对于一般通讯机可取 L=20~40cm D=10~20mm 下表是对一些常用频率螺旋天线的设计实例,其他频率也可类似设计。 f是工作中心频率; D是螺旋天线直径; L是螺旋天线长度; N是螺旋圈数; ι是所需金属线长度。 以上N、ρ为了实际制作需要均取近似值。 制作时可用直径0.5~1.5mm漆包线或镀银铜线或铝线在直径为D的有机玻璃或其他绝缘材料上绕制,并在棒的两头打上小孔,以利于固定金属线;在棒的底端焊上较粗的金属杆或插头固定在棒上,以利于与机器连接;整个螺旋天线的外面可用橡胶管或其他材料套封,并在顶端盖上橡皮帽或用其他材料密封,这样既美观大方,又防雨防蚀,经久耐用。如果没有上述金属丝,也可采用多股细绝缘导线代替,效果相同,只是绕制时固定较为困难。 以上螺旋天线也可用于各种小型遥控设备及其他类似机器上。 为了比较慢波天线与常规拉杆天线的不同,说明慢波天线尺寸较小的优点,我们可对拉杆天线作一计算。 设定参数如下:

一种小型平面螺旋天线概要

一种小型平面螺旋天线 龙小专1 袁飞2 (西南电子设备研究所,成都四川,610036) 摘要:平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线,其尺寸由低端工作频率决定,在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计,实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置,得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。 关键词:平面阿基米德螺旋天线,小型化,电阻加载,平面马欠德平衡器 A Miniaturized Planar Spiral Antenna Long Xiaozhuan 1 Yuan Fei 2 (Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036) Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun 1 引言 2 电阻加载 平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线,因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点,在诸多领域有着重要的应用[1]。随着系统的发展要求,天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说,圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率,或减小天线的尺寸,则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中,电阻加载不仅可以减小天线的驻波比,还可以显著减小天线的轴比,其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术,对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载,并应用所设计的小型平面马欠德平衡器,最终得到一个工作于2.5GHz~6GHz的平面螺旋天线,其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中,可先分别对三个部分进行设计,然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线,螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加,其极坐标方程可表示为: r=r0+aφ (1)

宽带印刷偶极子天线设计

宽带印刷偶极子天线设计 何庆强何海丹 (中国西南电子技术研究所,成都610036) 摘要:构建了一个宽带印刷偶极子天线,基于等效电路模型进行分析,给出了一套完整的设计计算公式。采用该方法进行设计,可一次成功,不必进行参数扫描和优化。给出的例子所得天线带宽达到54.15%,优于最新的国内外报道。 关键词:偶极子,巴伦,等效电路,宽带 Design of a Broadband Printed Dipole Antenna He Qingqiang He Haidan (Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036) Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports. Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband 1 引言 印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。最近几年的研究表明:通过快速的单元模型分析 计算,天线带宽可以达到18%[2];通过采用V形地平面,天线带宽可以达到33%以上[3];通过神经网络参数优化,天线的带宽可以达到40%[4];采用等效电路优化结合周期性加载原理,印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。 在这篇文章里,我们基于等效电路模型进行分析,计算出了偶极子天线的物理参数尺寸。采用该方法进行设计,可一次成功,无须参数优化,所得天线的带宽可达54.15%,优于文献[1-5]给出的设计结果。2 等效电路模型分析与设计 图1给出了偶极子天线的几何结构及其参数。图中实线部分为天线结构示意图,该天线印刷在厚度为h,介电常数为 r ε的介质板上。印刷振子辐射臂长为L t,宽为L w;振子的下底长为L H,宽为L d。在振子的中间,刻有一纵向长槽,长为L ab,宽为S w。该天线采用标准的50欧SMA馈电。

矩形微带天线设计与分析

矩形微带天线设计与分析 万聪,沈诚诚, 王一平 2011级通信2、4班 沈诚诚:主要负责资料准备与整理 王一平:主要负责论文的格式与后期资料扩充 万聪:主要负责设计模型 三人共同学习hfss软件设计模型,共同参与讨论编写论文,发扬团结合作的精神,克服所遇到问题,完成好老师布置的作业。 摘要:微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点引起了相关领域的广泛重视,已经被广泛应用在1OOMHz—1OOGHz的宽广频域上的大量的无线电设备中。本文介绍了一种谐振频率为2.45GHz,天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。本论文给出了详细的设计流程:根据理论经验公式初步计算出矩形微带天线的尺寸,然后在HFSS里建模仿真,根据仿真结果反复调整天线的尺寸,直到仿真结果中天线的中心频率不再偏离2.44GHz为止。微带天线固有的缺陷是窄带性,它的窄带性主要是受尺寸的影响,在不改变天线中心频率的前提下,通过理论经验公式与仿真软件的结合,给出了微带天线比较合理的尺寸。通过HFSS 13.0软件对该天线进行仿真、优化,最终得到最佳性能。 关键词:微带天线、谐振频率、HFSS

Abstract: the microstrip antenna has attracted wide attention from related fields with the advantages of small volume, light weight, low profile, unique, a lot of radio equipment has been widely applied in broad frequency range 1OOMHz - 1OOGHz of the. This paper introduces a 2.45GHz resonant frequency, input impedance of the antenna for the rectangular microstrip antenna using a 50 ohm coaxial feed. This paper gives a detailed design process: according to the theory of empirical formula calculated the size of rectangular microstrip antenna, then modeling and Simulation in HFSS, repeated adjustment according to the simulation results of the antenna size, until the simulation results in the center frequency antenna can not depart from the 2.44GHz to stop. The inherent defects of microstrip antenna is narrow, narrow band it is mainly affected by the size, in the premise of not changing the antenna center frequency, through a combination of theoretical formula and simulation software, the reasonable size of microstrip antenna. The antenna is simulated by HFSS 13 software, optimization, and ultimately get the best performance. Keywords: microstrip antenna, resonant frequency, HFSS

900MHz同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS仿真

900MHz 同轴馈电矩形微带天线设计与HFSS 仿真 微带天线它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片、一面敷以金属薄层做接地板而成。辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状。 微带天线馈电有多种馈电方式,如微带线馈电、同轴线馈电、耦合馈电和缝隙馈电等。其中,最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。 同轴线馈电又称背馈,它是将同轴插座安装在接地板上,同轴线内的导体穿过介质基片接在辐射贴片上。若寻取正确的馈电点位置,就可以获得良好的匹配。 1 矩形微带天线的特性参数 1.1 微带辐射贴片尺寸估算 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片,假设介质的介电常数为r ε,对于工作频率f 的矩形微带天线,可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度ω,即为: 2 1 )2 1(2-+=r f c εω(1) 式中,c 是光速,8 10*3=c 。 辐射贴片的长度一般取为 2 e λ,e λ是介质内的导波波长,即为: e e f c ελ= (2) 式中,e ε是有效介电常数,即为: 2 1 )121(2 1 2 1 -+-+ += ω εεεh r r e (3) 考虑到边缘缩短效应后,实际上的辐射单元长度L 应为: L f c L e ?-= 22ε(4) 式中,L ?是等效辐射缝隙长度,即为: ) 8.0)(258.0() 264.0)(3.0(412.0+-++=?h h h L e e ωεωε(5)

2. 同轴馈电矩形微带天线设计 在使用同轴馈电时,在阻抗匹配方面,在主模10TM 工作模式下,馈电点在矩形辐射贴片长度L 方向边缘处(x=±L/2)的输入阻抗最高,约为100Ω-400Ω。馈电点在宽度ω方向的位移对输入阻抗的影响很小。但在宽度方向上偏离中心位置时,会激发n TM 1模式,增加天线的交叉极化辐射。因此,宽度方向上馈电点的位置一般取在中心点。 由下式可以近似计算出输入阻抗为50Ω时的馈电点的位置: )1 1(2 1re L L ξ- = (6) 式中, 2 1 )121(21 2 1 )(-+-+ += L h L r r re εεξ(7) 3. 设计要求 使用HFSS 设计中心频率为915MHz 的矩形微带天线,并给出天线参数。介质基片采用厚度为1.6mm 的RF4环氧树脂板,天线馈电方式采用50Ω同轴线馈电。 x 图1 同轴馈电俯视图 天线初始尺寸的计算: 辐射贴片宽度:mm 77.99=ω 辐射贴片长度:mm L 89.77= 50Ω匹配点初始位置1L ,计算出初始位置后,然后再使用HFSS 的参数扫描分析和优化设计功能,分析给出50Ω匹配点的实际位置即可,mm L 91.191=。

一种低剖面平面螺旋天线的设计

一种低剖面平面螺旋天线的设计 [ 录入者:天线微波 | 时间:2008-12-19 12:31:09 | 作者:景小东张福顺 | 来源:Error! Hyperlink reference not valid. | 浏览:498次 ] 摘要文章提出了一种低剖面平面螺旋天线的设计方法,用金属反射板代替传统的A /4反射腔来实现螺旋天线的单向辐射,并在螺旋末端接以阻性负载,以改善天线的电性能。实验结果表明,对于工作频带为1.3GHz~2.1GHz的四臂平面阿基米德螺旋天线,在保证天线特性的前提下,整个天馈结构的厚度减小至17ram。 0 引言 平面螺旋天线由于其结构的自相似性,能在很宽的频带内辐射圆极化波,因而获得了广泛的应用¨J。平面螺旋天线的辐射是双向的,但在实际应用中,往往要求天线具有单向辐射特性。通常的做法是,在螺旋天线的一侧加装反射腔,并根据实际情况在腔内填充微波吸收材料。这种做法能使天线达到相当宽的频带(2GHz~18GHz) 』,但其最大的缺点是,由于微波吸收材料的存在,近一半的辐射能量将被吸收掉 J,这使得天线的效率大大降低;即使不填充吸收材料,反射腔A/4的高度又使得天线的厚度过大,这在某些应用中又令人难以接受。 文章根据四臂平面螺旋天线的原理,设计了相应的馈电网络,将其地板作为天线的平面反射器,代替A/4反射腔,并在螺旋终端接阻性负载,以减小由镜像电流引起的互耦对天线电性能的影响。 通过调整天线辐射器与馈电电路板的间距,在保证天线电性能的前提下,使天线厚度减薄至17ram,满足低剖面要求。 1 天线设计 1.1 平面阿基米德螺旋天线 平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线,在结构上又有单臂、双臂、四臂之分。文章采用四臂平面阿基米德螺旋天线,其结构如图1所示。其中螺旋臂1的两条边缘线满足的曲线方程分别为:

螺旋天线综述

螺旋天线综述 1 引言 螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。螺旋天线具有圆极化,波束宽度宽的优点,因此被广泛在卫星通讯,个人移动通信中。 同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式,可以采用底馈或者顶馈,此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接,外导线则和接地板(金属圆盘或矩形板状等)相接,螺旋线的另一端是处于自由状态。 螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器,也可用做单独的天线(由一个或几个螺旋线组成)。 2 螺旋天线的发展 螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的,自此之后,螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究,给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。 20世纪70年代,苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。此后各国学者进行了这方面的研究,延伸出了很多变种,尤其是四臂螺旋天线因其高增益,方向性好,圆极化的特点,得到了深入的发展和实际应用,如图1所示。 2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线,如图2所示。天线实现了几乎最优化的UWB性能,通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离,几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。该天线具有10:1的瞬间带宽,它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。在低成本的应用中,该设计可以被蚀刻在天线罩的内部,或由曲线或曲管构建。

半波偶极子天线的HFSS仿真设计

天线原理与设计华中科技大学 半波偶极子天线的HFSS仿真设计 一、实验目的 1、学会简单搭建天线仿真环境的方法,主要是熟悉HFSS软件的使用方法; 2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法; 3、通过天线的仿真,了解天线的主要性能参数,如驻波比特性、smith圆图特性、方向图 特性等; 4、通过对半波偶极子天线的仿真,学会对其他类型天线仿真的方法; 二、实验仪器 1、装有windows系统的PC一台 2、HFSS13.0软件 3、截图软件 三、实验原理 1、首先明白一点:半波偶极子天线就是对称阵子天线。 图1 对称振子对称结构及坐标 2、对称振子是中间馈电,其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a,长度为l。两臂之间的间隙很小,理论上可以忽略不计,所以振子的总长度L=2l。对称振子的长度与波长相比拟,本身已可以构成实用天线。 3、在计算天线的辐射场时,经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。取图1的坐标,并忽略振子损耗,则其电流分布可以表示为: 式中,Im为天线上波腹点的电流;k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点,对称振子的末端为电流的波节点;电流分布关于振子的中心点对称;超过半波长就会出现反相电流。 4、在分析计算对称振子的辐射场时,可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁场的叠加原理,对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

图2 对称振子辐射场的计算 如图2 所示,电流元I(z)所产生的辐射场为 其中 5、方向函数 四、实验步骤 1、设计变量 设置求解类型为Driven Model 类型,并设置长度单位为毫米。 提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化 2、创建偶极子天线模型,即圆柱形的天线模型。 其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。 3、设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电,在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。 4、设置辐射边界条件 要在HFSS中计算分析天线的辐射场,则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿Z轴放置的圆柱模型,材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。 5、外加激励求解设置 分析的半波偶极子天线的中心频率在3G Hz,同时添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的扫频设置,扫频类型为快速扫频。

矩形微带天线设计

班级: 姓名: 学号: 指导教师:徐维 成绩: 电子与信息工程学院 信息与通信工程系

1微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps 于1953年提出来的,经过20年左右的发展,Munson 和Howell 于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小,易于制造等优点,现今已经广泛应用于个人无线通信中。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ,则有 L e =λg /2 式中,λg 表示导波波长,有 λg =λ0/ε 式中,λ0表示自由空间波长;εe 表示有效介电常数,且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中,εr 表示介质的相对介电常数;h 表示介质厚度;w 表示微带贴片的宽度。 因此,可计算出矩形贴片的实际长度L ,有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL=2102-e f c εΔL 式中,c 表示真空中的光速;f 0表示天线的工作频率;ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度,且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算, W=21 2102-??? ??+εf c 对于同轴线馈电的微带贴片天线,在确定了贴片长度L 和宽度W 之后,还需要确定同轴线馈点的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50Ω的标准阻抗,因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω.对于如图所示的同轴线馈电的微带贴片天线,坐标原点位于贴片的中心以(x f ,y f )表示馈点的位置坐标。

对于TM 10模式,在W 方向上的电场强度不变,因此理论上的W 方向上的任一点都可以作为馈点,为了避免激发TM 1n 模式,在W 方向上的馈点的位置一般取在中心点,即 y f =0 在L 方向上电场有λg /2的改变,因此在长度L 方向上,从中心点到两侧,阻抗逐渐变大;输入阻抗等于50Ω时的馈点可以由下式计算, x f =) (2L L ξ 式中, )121(2121 21)(l h L +--++=εεξ 上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的,然而实际设计中,参考地都是有限面积的,理论分析证明来了当参考地平面比微带贴片大出6h 的距离时,计算结果就可以达到足够的准确,因此设计中参考地的长度L GND 和宽度W GND 只需要满足以下条件即可, L GND ≥L+6h W GND ≥W+6h 2设计指标和天线结构参数计算 我这次设计的矩形微带天线工作于ISM 频段,其中心频率为 2.45GHz ;无线局域网(WLAN )、蓝牙、ZigBee 的无线网络均可以工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003,其相对介电常数εr =3.38,厚度h=5mm ;天线使用同轴线馈电。微带天线的三个关键参数如下:工作频率f 0=2.45GHz ;介质板材的相对介电常数εr =3.38;介质厚到h=5mm 。 1.矩形贴片的宽度W 把c=3.0×108 m/s ,f0=2.45GHz ,εr =3.38带入,可以计算出微带天线矩形贴片的宽度,即 W=0.0414m=41.4mm

一种小型平面螺旋天线

一种小型平面螺旋天线 龙小专1袁飞2 (西南电子设备研究所,成都四川,610036) 摘要:平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线,其尺寸由低端工作频率决定,在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计,实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置,得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。 关键词:平面阿基米德螺旋天线,小型化,电阻加载,平面马欠德平衡器 A Miniaturized Planar Spiral Antenna Long Xiaozhuan 1Yuan Fei 2 (Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036) Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun 1 引言 平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线,因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点,在诸多领域有着重要的应用[1]。 随着系统的发展要求,天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说,圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率,或减小天线的尺寸,则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中,电阻加载不仅可以减小天线的驻波比,还可以显著减小天线的轴比,其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术,对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载,并应用所设计的小型平面马欠德平衡器,最终得到一个工作于 2.5GHz~6GHz的平面螺旋天线,其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 2 电阻加载 平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中,可先分别对三个部分进行设计,然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线,螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加,其极坐标方程可表示为: r r aφ =+(1) 式(1)中, r是起始半径,a为螺旋增长率,φ是以弧度表示的幅角。双臂平面阿基米德螺旋天线如图1(a)所示。 平面阿基米德天线一般在螺旋面的中心起始端两点采用平衡馈电,而主要辐射区域是集中在平均周长为一个波长的那些环带上,也称有效辐射区。当频率改变时,有效辐射区随之改变,但辐射方向图基本不变。而当有效辐射区为天线的最外圈区域 ·553·

印刷偶极子天线FSS仿真研究报告

印刷偶极子天线设计及振子长度对天线特性影响的研究 温州大学 愚 公 2012年10月20日 一、 所用仪器 1、装有windows XP系统的PC一台 2、HFSS10.0仿真软件 二、 操作步骤 1、设计变量 设置求解类型为Driven Model 类型,并设置长度单位为毫米。 定义对称偶极子天线的基本参数并初始化,如下表。 2、创建印刷偶极子天线模型如图。其中另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。过程 省略。

3、设置端口激励 印刷偶极子天线由中心位置馈电。 4、设置辐射边界条件 要在HFSS中计算分析天线的辐射场,则必须设置辐射边界条件。这里创建一个长方体设置为辐射边界条件。 5、外加激励求解设置 设计的印刷偶极子天线的中心频率在2.45G Hz,同时添加2.0G Hz ~3.0G Hz频段内的扫频设置,扫频类型为快速扫频。 三、 实验结果 1、回波损耗S11 回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射,是天线设计需要关注的参数之一。HFSS10.0的设置方法与HSFF13有较大区别,具体步骤 如下面三个图所示:

其余各项结果的输出基本类似。以下不再赘述。

图中所示是在2G Hz ~3 G Hz频段内的回波损耗,设计的印刷偶极子天线中心频率约为2.45G Hz。 2、电压驻波比VSWR 电压驻波比VSWR,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。 由图可以看到在2.45GHz附近时,电压驻波比约为1.1,说明此处接近行波,传输特性比较理想。 3、smith圆图 史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换,

矩形微带天线

一.微带天线简介 微带天线的概念首先是有Deschaps于1953年提出来的,经过20年左右的发展,Munson和Howell于20世纪70年代初期造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小,易于制造等优点,现今已经广泛应用于个人无线通信中。 上图是一个简单的微带贴片天线的结构,由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介点常数ε和损耗正切tanδ、介质的长度LG和宽度WG。图中所示的天线是采用微带线来馈电的,本次我要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电,也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。 对于矩形贴片微带天线,理论分析时采用传输线模型来分析其性能。矩形贴片微

带天线的工作模式是TM 10模,意味着电场在长度L 方向上有λg /2的改变,而在 宽度W 方向上保持不变,如图所示,在长度方向上可以看成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量,在宽度方向的边缘由于终端开路,所以电压值最大电流值最小。从图中可以看出微带线边缘的电场可以分解成垂直参考地的分量和平行于参考地的分量两部分,两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反,平行电场分量大小相等、方向相反;因此,远区辐射电场垂直分量相互抵消,辐射电场平行于天线表面。 假设矩形贴片的有效长度设为L e ,则有 L e =λg /2 式中,λg 表示导波波长,有 λg =λ0/ε 式中,λ0表示自由空间波长;εe 表示有效介电常数,且 εe =21)121(2121-+-++w h εε 式中,εr 表示介质的相对介电常数;h 表示介质厚度;w 表示微带贴片的宽度。 因此,可计算出矩形贴片的实际长度L ,有 L=L e -2ΔL=λ0/e ε-2ΔL= 2102-e f c εΔL 式中,c 表示真空中的光速;f 0表示 ΔL 表示等效的辐射缝隙的长度,且有 ΔL=0.412h ()()()() 8.0264.0258.03.0++-+h W h W εε 矩形贴片的宽度W 可以由下式计算, W=21 2102-??? ??+εf c 对于同轴线馈电的微带贴片天线,在确定了贴片长度L 和宽度W 之后,还需要确定同轴线馈点的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在微波应用中通常是使用50Ω的标准阻抗,因此需要确定馈点的位置使天线的输入阻抗等于50Ω. 对于如图所示的同轴线馈电的微带贴片天线,坐标原点位于贴片的中心以 (x f ,y f )表示馈点的位置坐标。

CST-偶极子相控阵天线的仿真及优化

实验报告 学生:学号:指导教师: 实验地点:实验时间: 一、实验室名称: 二、实验项目名称:微波工程CAD实验 三、实验学时:20 四、实验原理: CST仿真软件是基于有限积分法,将整个计算区域离散化并进行数值计算,模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线,最后可根据实际要求对所得结果进行优化,得出最优化下的器件尺寸参数。 本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟,以此来掌握CST的应用。 五、实验目的: 了解并掌握CST仿真软件的基本操作,学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。 六、实验容: 第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化:①偶极子天线尺寸如下图,在4~12GHz的频率围,请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz,待优化的变量Lambda初值取为29mm,绘出在该工作频率点的方向图;②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙,扩展成一个2*2的相控阵天线阵,请使用三种方法计算该天线阵的方向图;③对结果进行比较、分析和讨论。

第二题微带到波导转换的仿真与优化:在26~30GHz频率围优化下图微带到波导的转换,使全频带反射最小,并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布;微带是Duroid5880基片,介电常数2.2,基片厚0.254mm,金属层厚0.017mm,介质上的空气尺寸3*1*8mm,标准50欧姆微带线宽0.77mm;波导是Ka波段的BJ320波导,尺寸7.112*3.556*10mm;L 是微带基片底面到波导短路面距离,W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长,W1*L1是第一段变阻线的宽与长,W2*L2是第二段变阻线的宽与长,7个待优化变量可取下图给的初值。 七、实验器材(设备、元器件): 台式计算机;CST Design Environment 2009仿真软件;U盘(学生自备)。 八、实验步骤: 第一题:偶极子相控阵天线的仿真 a.单个偶极子天线模型 单个偶极子天线方向图

螺旋天线的仿真设计

一、设计题目:螺旋天线的仿真设计 二、设计目的: (1)熟悉Ansoft HFSS软件的使用。 (2)学会螺旋天线的仿真设计方法。 (3)完成螺旋天线的仿真设计,并查看S参数以及场分布。 三、设计要求: 螺旋天线是一种常用的典型的圆极化天线,本设计就是基于螺旋天线的基础理论及熟练掌握HFSS10软件的基础上的,设计一个右手圆极化螺旋天线,要求工作频率为4G,分析其远区场辐射特性以及S曲线。 螺旋天线通常用同轴线馈电,天线的一端与同轴线的内导体相连,另一端则处于自由状态。 螺旋天线示意图如图1所示: 图1、螺旋天线

四、设计参数: 中心频率f=4GHz λ=75mm 螺旋导体的半径d=0.15λ=11.25mm 螺旋线导线半径a=0.5mm 螺距s-0.2λ=15mm 圈数N=7 轴向长度l=Ns 五、设计步骤 在HFSS建立的模型中,关键是画出螺旋线模型。画螺旋线,现说明螺旋线模型的创建。 求解类型设置与上两个设计一样,材料为copper,模型单位为mm,螺旋线的创建如下。 点击Draw>Circle,输入圆的中心坐标。X:11.25 Y:0 Z:0 ,按回车键结束。输入圆的半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回车键结束输入。在特性窗口中将Axis改为Y。点击确认。选中该circle。点击Draw>Helix,输入X:0 Y:0 Z:-7.5,按回车键结束输入,输入dX:0 dY:0 dZ;100 按回车键,在弹出的窗口中,Turn Directions:Right Hand Pitch:15(mm) Tuns:7 Radius change per Turn:0点击OK。在特性窗口中选择Attribute标签,将名字改为Helix。建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring。 点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。输入坐标为X:11.25 Y:0

矩形微带贴片天线设计及仿真

《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真 单位(院、系):信息工程学院 学科专业: 电子与通信工程 学号:416114410159 姓名:曾永安 时间:2011.4.25

矩形微带天线的设计与仿真 学科专业:电子与通信工程学号:416114410159 姓名:曾永安指导老师:吴毅强 摘要:本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz,天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化,最终得到最佳性能。 关键词:HFSS,微带线,天线

Design and Simulation of Rectangular Microstrip Antenna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well. Key words:HFSS,Microstrip,Antenna

1.引言 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的,经过20多年的发展,Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz~100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸;能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器;比较容易精确制造, 可重复性较好;可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接;较易将发射和接收信号频段分开;辐射方向图具有各向同性。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段,其中心频率为2.45GHz;无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003,其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm;天线使用同轴线馈电。 2.微带贴片天线理论分析 图1是一个简单的微带贴片天线的结构,由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电,本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电,也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 图1 微带天线的结构

螺旋天线的制作参数

螺旋天线的制作参数 2009-08-01 20:01 我在论坛上混了一段时间了,到目前仍然没有作为,惭愧呀,由于兴趣所在,我找了天线原理书籍,其中介绍的螺旋天线有明确的参数和方法,这里我就把书中的内容简单转述一下吧。(高手就绕过吧) 首先了解一些基础部分: 1、我们的WLAN所使用的2.4GHz电磁波是行波,即电磁波的电场和磁场两者都与电波的传播方向相垂直。 2、我们的天线主要是利用电磁波中的电场分量来负载信息的 正题:螺旋天线的制作参数 我们制作螺旋天线是将铜丝绕着圆管一圈圈斜向上绕,角度绕过360度时算作是一圈,绕这一圈所使用的一匝铜线长度记为L,把上下相邻两圈的间距记作S,铜线形成的螺圈的实际半径记为R(就是PVC管的半径+铜线的横切面半径),用这个半径R算出来的圆周长记为O.(有些符合不知如何输入,我只好用文字,锻炼大家的理解和想象能力了) L: 螺线旋转一圈的长度,; S:上下相邻两个螺圈的距离 R: 螺圈的半径(PVC管的半径+铜线的横切面半径) O:螺圈的周长(用R算出来的那个), 对于波长和L长度的关系:(下面指的是比值) L/波长<0.5 ------------------------L小于0.5个波长,天线将工作于法向辐射模式 L/波长=(0.8到1.3)-----------------L居于0.8个波长到1.3个波长之间,轴向辐射模式(我们需要的) L/波长>1.3 -----------------------L大于1.3个波长,圆锥辐射模式 我们要的是轴向辐射模式 L对应的是工作波长,对于行波L可以取值范围是0.8~1.3个波长,我们最好就直接用一个波长,即12.6CM 算了 L 、S、O 三者的关系:L的平方=S的平方+O的平方 L>S ; L>O S和O关系不定 我们确定好L 长度之后,S 和O 是可以方便自定义的,这样我们可以去方便利用用不同口径的PVC管了 理论是这样说的,我还没有亲自去试验呢... 完整结构形象概样:1铜线绕在圆管上作为天线部分,圈数多点好; 2 反射金属板(约一个波长直径的圆,形状其实无关,主要看面积) 3 这两者不相接,相互距离尽量小些即可 接线方式: 将馈线接在铜线的一段,屏蔽层接反射板 补充说明: 1铜线绕多少圈及相应效果本书没有数据可查,我想至少要10多圈吧,可能是越多越好吧 2通过L 、S、O 三者的关系,我们可以利用上多种口径的PVC管,而不用拘泥了老外给出的数据了。这里L=12.6cm是固定的啦它就是2.45Ghz电波的波长,O约等于PVC管的周长(不是直径D呀,注意了,O=3.14*D),具体来说就是只要水管的直径D小4.01cm的原则上都是可以利用的。 3由于我没有条件去实践,所以不知到效果会是怎样,据某网页的计算软件来看,15圈左右就有25dB的增益,具体的我也不知道,还有赖于各位做一回排头兵,试一试并发布一下效果图,共同提高大家的水平! 具体操作: 制作并不复杂,其实L 、S 、O 三者构成的是直角三角形,如下图,大家只要事先将实际尺寸的图线画在一张纸上面,然后贴在PVC管上面绕线的具体位置就一目了然了。看下图就会明白的了,很简单的! 将图纸贴在PVC管上之后沿着对角线(L)绕铜丝就行了,不是很方便吗... 绕线位置图.jpg (31.97 KB)

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