UHF双馈点微带陶瓷天线仿真及设计

王震宇 刘瑜安徽大学电子信息工程学院



UHF双馈点微带陶瓷天线仿真及设计

王震宇 刘瑜
安徽大学电子信息工程学院

摘要：随着物联网射频识别技术快速发展，低剖面天线被广泛运用在高性能阅读器中。文章介绍了微带天线的分析方法，并采用HFSS仿真软件设计并加工了以922.5MHZ 为中心频点的陶瓷天线，通过双馈点技术实现天线圆极化。研究表明该陶瓷天线可以运用在UHF-RFID阅读器中。

关键字：微带天线 HFSS 仿真 双馈点

1　引言

射频识别RFID（ Radio Frequency Identification）技术是物联网关键技术之一。通过电磁波信号识别特定目标上的电子标签并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的一种无线通信技术。随着射频识别技术的快速发展，阅读器的体积被做得越来越小，而影响体积的重要因素之一是其中的天线体积。一般微带天线是由表面贴片、介质基板、接地板所构成。通过微带线或者同轴探针馈电。尽管微带天线概念可以追溯到1953年，然而直到1970年才被开始广泛关注。由于其具有低剖面、易于安装在平面或者非平面表面、结构简单、生产成本低廉、机械强度大等优点被广泛运用在RFID系统中。本文根据微带天线的分析方法，采用HFSS仿真软件对设计并加工以921MHZ 为中心频点的陶瓷天线，由于陶瓷天线实现圆极化的方法很多，例如单馈点通过切角、缝隙法；多馈点法。本文采用双馈点实现圆极化。并可以在RFID阅读器中很好的工作。

2　微带天线参数分析

利用传输线理论，估算微带天线的特性参数。选择相对介电常数εr=21.8高度为4.8mm 的陶瓷。仿真的陶瓷天线中心频率为921MZH 。因为微带线介于空气和介质板之间，因此有效介电常数εreff 会在1～εr 之间变化。

3　HFSS仿真建模

HFSS是美国Ansoft 公司开发的一款采用熟悉的Windows操作界面，高性能全波电磁场对任意3D无源模型进行精确仿真软件。它集合了仿真、可视化、实体建模和自动化功能，可以快速、准确的解决三维电磁场问题。Ansoft HFSS利用FEM（Finite Element Method）有限元法，自适应网格剖分技术和可视化图像，可以计算参数例如S 参数、谐振频率和场。

HFSS可以为天线设计提供全面的解决方案，使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、VSWR 、S参数以及点亮分布特性。在HFSS中按照计算结果进行建模，辐射贴片尺寸为34mm*34mm ，介质板尺寸为39mm*39mm ，地板尺寸为50mm*50mm ，空气盒子尺寸为212.5mm*212.5mm*173.5mm，同轴探针圆心坐标为（3.4，0，0） 半径为0.6mm。添加材料ceramic，相对介电常数为21.8 ，将介质板设为ceramic。表面贴片和地板设置为PerfectE ，空气盒子设置为辐射边界条件。设置求解频率为922.5MHZ和扫频范围0.8GHZ-1.5GHZ。

4　双馈点圆极化

天线的极化方式是根据电磁波传播过程中，电场终端所形成的轨迹而定义的。假设X 方向电场强度为Y方向电场强度为而总电场是各分量的矢量和。总电场强度终端轨迹是圆。只要使得进入这两个馈点功率相等相位相差90°即可实现圆极化。

5　结论

双馈点陶瓷天线的带宽比单馈点更宽，可以达到8MHZ ，并且比单馈点更易实现圆极化。该天线运用在UHF-RFID阅读器中效果显著。