面向RFID應用的2.4GHz微帶天線的設計與實現

　　微帶天線利于選取合適的饋電位置使輻射元與饋線良好匹配，且體積小剖面低、電性能優良、實現了一維小型化。基于此小型化天線采用微帶天線形式。而微帶天線實現圓極化的饋電方法主要有: 雙饋點饋電和單饋點饋電。其中每一種饋電方法又分別可采用直接饋電、縫隙耦合饋電、探針饋電等多種饋電方式。直接饋電的單饋點法不需設計任何復雜的移相網絡和功率分配就可實現圓極化輻射，是實現圓極化的簡易方法，所以一般采用單饋點直接饋電的方式饋電[4]。

　　微帶天線設計

　　根據微帶天線理論，貼片單元寬度W的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數、輻射電阻以及輸入阻抗。考慮到要兼顧輻射效率和避免產生高次模，通常要求寬度W滿足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分別是天線的高度和寬度。但在實際設計時應考慮邊緣場的影響，要對L值進行修正，因此L由公式(4)決定：

　　因為電場沿 L方向非均勻分布，故可通過改變同軸饋點在 L方向上的位置來改變饋電點的阻抗大小，達到信號的匹配狀態。饋電點位置的導納如公式(6)所示：

　　式中Z₀是把天線視為傳輸線時的特性阻抗;Y₀是其對應的導納;Z_W是壁阻抗;β是介質中的相位常數; L₁、 L₂為饋點沿 L 方向分別到輻射電極邊沿的距離。通過改變L₁、 L₂的大小可以使輸入阻抗滿足阻抗匹配的要求。

　　設計中還要考慮到輻射電極的長和寬L、W要滿足矩形貼片天線圓極化工作必要條件，即：

　　式中Q_r，Q_d，Q_e，分別對應輻射，介質和導體損耗的Q值。

　　我們在設計時，考慮到微帶天線應用在手持擴頻通信設備中，要求天線具有剖面薄、體積輕、小型化的特點。根據上述公式計算出天線的實際尺寸，然后在Agilent公司的電路和系統分析軟件ADS上建模，仿真優化，得到圖4所示的天線模型。該天線工作頻率為2.4GHz，尺寸為10mm×7.88mm，天線固定在尺寸為53mm×6.72mm的基板上，其材料選用FR4，相對介電常數為4.4，基板厚度為1.2mm。對貼片天線進行單點直接饋電，饋電點到貼片中心的距離為4.2mm，保證了天線體積的小型化。在饋線末端開出一個0.38mm的接地孔，以便和接地層相連。Length的長度與板厚有關系，板厚1.2mm，對應的Length長度為3.175mm。一體式結構適合大規模的生產和調試，并且堅固抗折，適合在卡狀設備中使用。

　　為了優化射頻卡天線的傳輸性能，天線的輻射電阻必須適應射頻電路的阻抗特性。阻抗匹配是指在天線能量傳輸時，要求負載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時的傳輸不會產生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之則在傳輸中有能量損失。在設計天線時，為了防止信號的反射，要求線路的阻抗為50歐姆。通過ADS的仿真分析后得到50歐的微帶參數為：銅箔厚度為0.7mil，基片厚度為10mil，導線寬度為20mil，導線距地平面的距離為31mil。