面向RFID应用的2.4GHz微带天线的设计与实现

　　微带天线利于选取合适的馈电位置使辐射元与馈线良好匹配，且体积小剖面低、电性能优良、实现了一维小型化。基于此小型化天线采用微带天线形式。而微带天线实现圆极化的馈电方法主要有: 双馈点馈电和单馈点馈电。其中每一种馈电方法又分别可采用直接馈电、缝隙耦合馈电、探针馈电等多种馈电方式。直接馈电的单馈点法不需设计任何复杂的移相网络和功率分配就可实现圆极化辐射，是实现圆极化的简易方法，所以一般采用单馈点直接馈电的方式馈电[4]。

　　微带天线设计

　　根据微带天线理论，贴片单元宽度W的尺寸直接影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻以及输入阻抗。考虑到要兼顾辐射效率和避免产生高次模，通常要求宽度W满足公式(1)的要求：

　　其中，h、w分别是天线的高度和宽度。但在实际设计时应考虑边缘场的影响，要对L值进行修正，因此L由公式(4)决定：

　　因为电场沿 L方向非均匀分布，故可通过改变同轴馈点在 L方向上的位置来改变馈电点的阻抗大小，达到信号的匹配状态。馈电点位置的导纳如公式(6)所示：

　　式中Z₀是把天线视为传输线时的特性阻抗;Y₀是其对应的导纳;Z_W是壁阻抗;β是介质中的相位常数; L₁、 L₂为馈点沿 L 方向分别到辐射电极边沿的距离。通过改变L₁、 L₂的大小可以使输入阻抗满足阻抗匹配的要求。

　　设计中还要考虑到辐射电极的长和宽L、W要满足矩形贴片天线圆极化工作必要条件，即：

　　式中Q_r，Q_d，Q_e，分别对应辐射，介质和导体损耗的Q值。

　　我们在设计时，考虑到微带天线应用在手持扩频通信设备中，要求天线具有剖面薄、体积轻、小型化的特点。根据上述公式计算出天线的实际尺寸，然后在Agilent公司的电路和系统分析软件ADS上建模，仿真优化，得到图4所示的天线模型。该天线工作频率为2.4GHz，尺寸为10mm×7.88mm，天线固定在尺寸为53mm×6.72mm的基板上，其材料选用FR4，相对介电常数为4.4，基板厚度为1.2mm。对贴片天线进行单点直接馈电，馈电点到贴片中心的距离为4.2mm，保证了天线体积的小型化。在馈线末端开出一个0.38mm的接地孔，以便和接地层相连。Length的长度与板厚有关系，板厚1.2mm，对应的Length长度为3.175mm。一体式结构适合大规模的生产和调试，并且坚固抗折，适合在卡状设备中使用。

　　为了优化射频卡天线的传输性能，天线的辐射电阻必须适应射频电路的阻抗特性。阻抗匹配是指在天线能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了，反之则在传输中有能量损失。在设计天线时，为了防止信号的反射，要求线路的阻抗为50欧姆。通过ADS的仿真分析后得到50欧的微带参数为：铜箔厚度为0.7mil，基片厚度为10mil，导线宽度为20mil，导线距地平面的距离为31mil。