1、东 莞 理 工 学 院本 科 毕 业 设 计毕业设计题目：2.4 GHz RFID 阅读器微带天线设计学生姓名：XXX 学 号：200741302XXX系 别：电子工程学院专业班级：通信工程 2 班指导教师姓名及职称：赖颖昕（讲师）起止时间：2010 年 10 月 2011 年 5 月摘 要本文研究的是微带天线的设计，讨论了矩形微带天线工作原理、结构及其应用。Ansoft HFSS12 的使用是本设计研究的重点，它适用于射频/无线通信天线及其他任意形状三维电磁场仿真。HFSS 是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，它提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器，拥有空前电性能分析能力的功
2、能强人后处理器，能计算任意形状三维无源结构的 S 参数和全波电磁场。本文给出了设计矩形微带线贴片的设计公式，然后，详细描述了设计中心频率为 2.4GHz 矩形微带天线的整个的流程：第一步根据设计公式计算出初步的微带天线的物理尺寸，由于计算天线的物理尺寸使用的计算公式都是经验公式，与实际中有所误差，所以它的物理尺寸需要调整，这种工作在电磁场仿真软件 HFSS 中来完成，第二步在 HFSS 中根据 2.4GHz 微带天线的初步物理参数和天线的具体形状，建立天线模型，来模仿实际中的天线，最后对天线辐射特性进行仿真，并通过不断调整天线模型的各个参数，来使天线的辐射特性能够符合设计要求，从而得到天线的最
3、佳物理参数。仿真结果表明，这几款设计出来的微带天线有较好的辐射特性和阻抗特性，能适用于 RFID 无线通信场。关键词 矩形微带天线； HFSS 软件；仿真AbstractThe basic operation principle，structural characteristics and application of the rectangular microstrip antenna are discussed. The emphasis of study is how to use the software of Ansoft HFSS12 and 3D (three-dimension
4、al) electromagnetic simulator which is used in RF/wireless communication antennas, packages and photoelectron designs. HFSS is a well-known standard 3D electromagnetic simulator. It provides a simple designing interface and an accurate sell-adapted field solver, which also has a powerful backup proc
5、essor for unique electricity analysis. It can compute the S-parameters and full-wave electromagnetic of various structures.At this thesis, the design formulas of rectangular microstrip patch antenna are involved.According to the design formula, the initial parameters of 2.4GHz rectangular microstrip
6、 patch antenna are calculated. But there are a little difference between the initial parameters and the real antenna parameters so that the initial parameters should be rectified. The antennas model is set up in HFSS which is electromagnetic simulation software. The antennas radiating character is s
7、imulated by HFSS, so we can adjust the antennas parameters until its radiating character fits in with the designing demands. The antennas optimization parameters are gained in this way.The simulation result indicates that the microstrip antennas designs have good radiation characteristics and impeda
8、nce characteristics, which can be used in RFID system.Key words：rectangular microstrip antenna； HFSS software； simulation目录1、 绪论 - 1 -11 论文的研究背景及意义 - 1 -12 RFID 系统的主要应用 - 1 -13 论文的主要内容 - 2 -2天线主要特性参数 - 1 -21 2.4G 信道的意义 - 1 -22 方向图及方向系数 - 1 -23 天线的效率 - 2 -24 天线增益及增益系数 - 2 -25 天线的阻抗特性 - 3 -26 天线的驻波比 -
9、 3 -27 天线的带宽 - 3 -3矩形微带贴片 天线的设计 - 4 -31 HFSS 简介 - 4 -3.2 基片材料的选取 - 5 -3.3 辐射贴片的大小 - 5 -3.4 馈电方式的选择 - 6 -3.5 介质基板的大小以及选择 - 6 -3.6 2.4GHz 微带天线参数计算 - 7 -42.4GHZ RFID 阅读器微带天线的实现 - 7 -41 建模 - 7 -42 材料定义 - 8 -43 定义馈电端口 - 8 -44 定义边界 - 9 -45 设置求解参数 - 10 -46 设置扫描设定并进行求解 - 10 -4.7 天线参数显示设置 - 11 -5天线仿真结果分析 - 1
10、1 -5. 1 单个辐射源的特性 - 11 -5. 2 四单元辐射源 I 的特性 - 12 -5.3 四单元辐射源 II 的特性 - 14 -6结论 - 18 -参考文献 - 19 -致 谢 - 20 -引言随着现代无线电通信技术的不断发展，现在各种各样的通信设备无论是大到雷达导弹飞机卫星还是小到手持移动电话都希望装置体积越小越薄，重量越轻越好，来方便生产、布置及携带。为了迎合这种潮流，通信装置中的重点天线的设计也越发注重小而薄的特性。而微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻、造价低，可与微波集成电路一起集成，且易于制成共形天线等诸多优点而得到广泛的应用。本文为东莞理工学院 09 年院“创新人
11、才培养计划”项目的后续设计。由于之前的设计存在着增益较小、带宽不大和结构相对复杂的缺点，故本文将重新设计一组 2*2 阵元的基于 HFSS 的 2.4 GHz 高增益、宽频带和结构简单的 RFID阅读器微带天线。本文采用 Ansoft HFSS 12 电磁场仿真软件设计一组新型 2.4 GHz RFID 阅读器微带天线。天线采用 FR4 介质层，通过微带线连结四个矩形微带贴片辐射源，并在脊形接地板顶端用同轴探针对匹配微带线进行馈电。1、 绪论11 论文的研究背景及意义微带贴片天线是近 30 年来逐渐发展起来的一类新型天线。常用的一类微带贴片天线是在一个薄介质（如 FR4、聚四氟乙烯玻璃纤维压层
12、）上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等制作方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带贴片天线。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆形或者其它形状。馈电方式有：微带线侧馈、同轴线地馈、电磁耦合、口径耦合等。微带贴片天线结构上的特点是体积小、重量轻、薄的平面结构，能与飞行器共形，制造工艺简单，成本低；电气上的特点是能得到单方向的宽方向图，最大辐射基本上在平面的方向，易于实现线极化或圆极化和双频率工作。其主要缺点是频带窄，效率低。这是因为微带贴片天线实质上接近封闭的谐振系统。微带贴片天线已大量应用于 100MHz100GHz 的宽广频域上，包括卫星通信、雷达
13、、遥感、导弹、遥测遥控、环境监测、生物医学、便携式无线电设备等。综上，微带天线的电尺寸小，能在不同的环境中很好的工作。因此，成为天线应用的首选。虽然用一个天线单元也能获得所要求的天线特性，但要想获得高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性，就必须将离散的辐射单元组成阵列的形式。所以在微带天线的实际应用中，常采用由微带辐射单元组成的微带天线阵。单元天线构成的阵列天线又称为天线阵，是由多个形式相同并按一定规律排布的离散或连续辐射单元所组成的辐射系统。系统中的每个辐射单元称为阵元或单元天线。组成阵列的天线单元可以是不同形式的，如缝隙、贴片、印刷振子等。在同一阵列辐射平面内也可以采用不同形式的
14、辐射单元，但大多数情况下，还是采用相同形式的单元。天线阵可排成多种几何形状，常见的有矩形、菱形、圆形等。阵列规模是由具体的设计要求决定的，阵列包含的单元数目越多，阵列的辐射增益越大。内部的网格可以是矩形、三角形等。12 RFID 系统的主要应用我国政府在 1993 年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的 10 年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在，射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，正在中国很快地普及。RFID 技术可以广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，因此，RFID 系统
15、有着广阔的应用前景。（1）高速公路运输管理。将 RFID 系统用于高速公路自动收费，我们称之为电子收费系统，安装射频卡的汽车可以 120km /h 以内的速度通过收费口，读出设备可快速、准确地记录通过车辆的编号或帐号信息，实现高速公路通行费的自动征收与管理，提高了公路的运行效率，克服了人工收费所造成的交通堵塞等弊端。通过采用 ETC 系统，中国的公路基础设施将会得到改善。此项应用也即是本课题进行研究的基础和背景。（2）车辆出入管理。射频识别系统可应用于大型停车场、军事重地、金融系统等地方的车辆自动管理。将电子标签贴在汽车的挡风玻璃上，当车辆经过读写器时，读写器可快速、准确地记录下所通过的车辆信
16、息及通过的时间，同时还可对是否允许通过做出判断，自动控制出入大门开关，作到出入严格管理。（3）铁路运输监控及列车、机车定位系统。由于火车是按既定路线运行，所以可以在沿途安放读写器以便监控火车的运行。将货车车号信息存放在射频卡里，并将射频卡附着在货车车体的表面，当货车通过读出点时，读写器通过天线接收射频卡反射回的带有货车车号信息的电子信号，经过计算机处理后，自动显示或打印出来，从而实现了货车车号的自动识别，克服了人工抄录造成的劳动强度高、出错概率大、工作效率低等缺点，并能够辨认火车的身份，监控火车的运行安全，及火车的完整性，以防遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故，同时在车站还能将车厢重新编组。（4）
17、集装箱运输管理。发达国家的货运，包括海洋运输和铁路、公路运输，主要采用集装箱运输，既安全又便于物流管理。由于集装箱运输种类繁多、复杂，采用射频识别系统后就可做到对各类集装箱进行自动登记、抄录。在集装箱上安装射频卡，在卡中写入集装箱号及箱内货物编号、数量、发货地及到货站。集装箱随船(汽车或火车甚至飞机)启运或到达港站时，RFID 系统对其进行识别和数据信息交换。（5）仓储管理。RFID 系统用于智能仓库货物管理，有效地解决了仓储货物信息管理。对于大型仓储基地来说，采用 RF 工 D 系统，管理中心就可以实时了解货物位置、货物存储的情况，对于提高仓储效率、反馈产品信息、指导生产都有很重要的意义。这
18、里仅仅罗列了 RFID 技术一些可行性很大的应用。可以毫不夸张的预测，任何一种应用如果成为现实，都将会孕育一个庞大的市场。RFID 将是未来一个新的经济增长点。13 论文的主要内容本论文回顾了微带贴片天线和天线阵列的发展历程以及它的意义，介绍了天线的各项基本参数，在此基础上，进一步介绍微带贴片天线的结构和工作其原理，并使用电磁波仿真软件 Ansoft HFSS 12 对微带贴片天线进行建模和仿真，分析微带贴片天线的几何参数和馈点位置参数与输入阻抗的关系。本文的主要内容安排如下：第一章：绪论。首先简要介绍了微带贴片天线和天线阵列的发展历程和它的意义，最后阐述了本文的主要内容的安排。第二章：天线的主要特性参数。介绍天线的主要特性参数，方向特性及方向图、效率增益、阻抗特性、驻波比、频带宽度等。以及影响特性参数的因数。第三章：详细介绍了矩形微带贴片天线的各个天线特性参数。第四章：详细介绍了 2.4GHz 的矩形微带贴片的物理参数的计算步骤，利用电磁场仿真软件 HFSS 根据天线的初步物理参数和天线的具体形状，设计了一组2*2 个阵元的微带贴片天线。并进行仿真。第五章：给出三种贴片天线的仿真结果，并对其进行必要的分析。第六章：结论。总结了整个论文的的实验过程及主要成果，在此基础上提出本论文的不足之处并对今后进一步研究方向进行展望。
