無(wú)線射頻讀寫(xiě)器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-08 22:54 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性系數(shù)為在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。通常以 D 表示 ，如式 (217)所示 2max20ED=E ( rP 相同 ) (217) 效率與增益 天線的效率定義為天線的輻射功率與輸入功率之比，用符號(hào) A? 表示 ， 如式 (218)所示 ： A i l lP P RP P P R R? ? ? ???? ? ??? (218) 其中 P? 為輻射功率 ， lP 為輸入功率 ， lP 為歐姆損耗 ， R? 為輻射電阻 ， lR 為損耗電阻 。 因此輻射電阻的高低是衡量天線輻射能力的一個(gè)重要指標(biāo)，輻射電阻越大則天線輻射青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 能力越強(qiáng)。當(dāng)天線的尺寸很小時(shí)，因其輻射電阻小，則損耗電阻大，故天線的效率低。當(dāng)天線的電尺寸和波長(zhǎng)相比擬時(shí)，輻射電阻較大即損耗電阻較小，天線的效率高。因此在實(shí)際中很多天線都選擇四分之一波長(zhǎng)。 增益是指當(dāng)在輸入功率 相等的條件下，實(shí)際天線與理想的無(wú)方向性天線在空間相同點(diǎn)所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比。通常用 G 表示，如式 (219)所示 ： 2max20EGE? ( inP 相同 ) (219) 它定量描述了一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度，是用來(lái)衡量一個(gè)特定的方向收發(fā)信號(hào)的能力。因此顯然，天線的增益與方向圖密切相關(guān)，方向圖主瓣越窄旁瓣越小則它的增益越高。 天線的增益與方向性系數(shù)兩個(gè) 物理量的關(guān)系： G=Dη 。 輸入阻抗與回波損耗 天線的輸入阻抗是指在天線饋電端的輸入電壓與輸入電流之比。天線與饋線相連接的最佳形式是天線的輸入阻抗為純電阻而且等于饋線的特性阻抗，這樣在饋線的終端就沒(méi)有功率的反射和在饋線上的駐波，天線的輸入阻抗隨著頻率變化也平緩。所以天線匹配的主要目的就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量和使電阻分量盡可能的等于饋線的特性阻抗。通常天線的輸入阻抗設(shè)為 50 歐姆。天線匹配的好壞通常用反射系數(shù)、回波損耗、駐波比和行波系數(shù)這幾個(gè)參量描述 [9]。這幾個(gè)參量之間有一定的數(shù)值關(guān)系，一般 用一個(gè)表示即可，本論文主要分析天線的回波損耗。 反射系數(shù)是指天線的輸入端的輸入電壓與反射電壓之比，一般用Γ表示，如式 (220)： 00Z=ZininZZ?? ? (220) 其中 Zin 是輸入阻抗 ， 0Z 是特性阻抗 。 實(shí)際工程中最常用的是回波損耗，用 11S 表示，是反射系數(shù)的 dB 倍數(shù)， 如式 (221)： 11 20lgS ?? (221) 電壓駐波比 (VSWR)是指波腹電壓與波節(jié)電壓之比，與反射系數(shù)Γ的關(guān)系如式 (222)： 11VSWR ??? ?? (222) 行波系數(shù)是駐波比的倒數(shù)。 極化特性 天線的極化特性就是指天 線在最大輻射方向上的電磁波極化，即電磁波在其傳播過(guò)程中電場(chǎng)分量相對(duì)于地面的方向，所反映的是時(shí)變電場(chǎng)矢量的幅度大小和方向隨著電磁波傳播方向的變化情況。依據(jù)電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡可以將天線分成線極化、圓極化、橢圓極無(wú)線射頻讀寫(xiě)器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 化三種極化形式 [10]。 線極化分為垂直極化和水平極化。顧名思義，垂直極化就是以地面為參考系它的電場(chǎng)方向垂直于地面，這樣的電磁波我們稱為垂直極化波：水平極化就是它的電場(chǎng)方向與地面平行，這樣的電磁波稱為水平極化波。我們都知道大地可以導(dǎo)電，所以當(dāng)水平極化波信號(hào)沿著地面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因 受到大地的阻抗影響產(chǎn)生熱從而使信號(hào)迅速的衰減，但是垂直極化波就不會(huì)在大地表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就可以避免了傳輸信號(hào)的衰減，所以在地表面?zhèn)鬏斝盘?hào)一般都不能用水平極化波。 圓極化波可以分解為兩個(gè)方向正交且幅度相等的同頻線極化波組成。圓極化波可以分為左旋極化波和右旋極化波。左旋極化就是電場(chǎng)端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，同理右旋極化波沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。對(duì)于橢圓極化來(lái)說(shuō)，線極化和圓極化都是橢圓極化的特例，任意一個(gè)橢圓極化都可分解為兩正交的線極化或者兩正交的圓極化。 由于發(fā)射天線也可以當(dāng)做接收天線，天線是互易的，所以在天線 設(shè)計(jì)過(guò)程接收天線的極化特性要與發(fā)射天線的極化特性相同，這樣才能保證發(fā)射天線輻射的電磁波信號(hào)在接收天線處接收到信號(hào)。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3 微帶天線 微帶天線基本原理 微帶天線結(jié)構(gòu) 微帶天線就是一個(gè)厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)薄板，在其一面敷以金屬輻射片，一面全部敷以金屬薄層作為接地板?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 31 所示，由貼片、介質(zhì)基板和接地板組成輻射貼片形狀除了如圖所示的矩形外，還有環(huán)形貼片、圓形貼片和三角形貼片等任意形狀介質(zhì)基板一般采用介電常數(shù)適中和介質(zhì)損耗較低的材料，既可以 增強(qiáng)產(chǎn)生輻射的邊緣場(chǎng)也能提高帶寬和增益。 圖 31 微帶天線基本結(jié)構(gòu) basic structure of micro strip antenna 微帶天線輻射原理 對(duì)于任何形狀的輻射貼片，它的工作原理都是一樣的。理論上可以采用傳輸線模型來(lái)分析其性能，可以將輻射貼片、介質(zhì)基板和接地板近似的看成是一段開(kāi)路的微帶傳輸線。在沿著微帶傳輸線傳輸?shù)臅r(shí)變電流由于在其終端不連續(xù)而產(chǎn)生輻射 [11]。 如圖 32 所示的長(zhǎng)為 L，寬為 W，厚度為 h(hλ )的矩形微帶天線。矩形微帶天線的長(zhǎng)度 L 約為 半個(gè)工作波長(zhǎng)，電磁波在矩形微帶天線內(nèi)以駐波形式存在，在 W 邊形成波腹，由于介質(zhì)基板的厚度 hλ，故電場(chǎng)沿 h 方向基本沒(méi)有變化，則天線工作在 TM10 模式。那么接地板和輻射貼片內(nèi)的電場(chǎng)分布可以近似表示為： 0cosz xEE L?? (31) 微帶天線的輻射主要集中在貼片與接地板之間的四個(gè)窄縫隙產(chǎn)生 。 用面磁流來(lái)等效窄縫隙產(chǎn)生的輻射 。 等效的面磁流密度為 ： sM n E?? ? (32) 無(wú)線射頻讀寫(xiě)器天線系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 (a)L邊磁流分布 (b)W邊的磁流分布 圖 32 微帶天線的等效磁流分布 Equivalent magic current distribution in micro strip antenna 可以從圖 (32a)所示的 L 邊磁流分布看出，在兩個(gè) L 邊的磁流分 布是相同的但每一邊磁流分布是反向?qū)ΨQ，相互抵消，所以在 L 邊上的電磁輻射可以忽略不計(jì)。從圖 (32b)所示的 W 邊的磁流分布，其分布正好與 L 邊分布相反 同相分布，所以 W 的輻射場(chǎng)會(huì)同相疊加，形成最大值。 微帶天線的小型化技術(shù) 微帶天線的發(fā)展方向就是趨于小型化，小型化是微帶天線的關(guān)鍵技術(shù)，但是在理論上天線的工作頻率與天線的尺寸成反比，也就是說(shuō)頻率的降低是以尺寸的增加為代價(jià)。目前實(shí)現(xiàn)天線的小型化的主要方法有：提高介質(zhì)基板的介電常數(shù)、曲流技術(shù)、短路加載技術(shù)、附加有源網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用電磁帶隙結(jié)構(gòu)和用左手介質(zhì)。本論文天線的 設(shè)計(jì)主要采用了曲流技術(shù)和短路加載技術(shù)，而介質(zhì)基板選用 FR4 環(huán)氧樹(shù)脂。本論文主要介紹曲流技術(shù)和短路加載技術(shù)。 曲流技術(shù) 所謂的曲流技術(shù)就是平常說(shuō)的表面開(kāi)槽技術(shù)，實(shí)質(zhì)就是通過(guò)彎曲而增加天線的有效長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)天線的小型化。表面開(kāi)槽分為在貼片表面開(kāi)槽和在接地板表面開(kāi)槽。 貼片表面開(kāi)槽 如下圖 33 所示的貼片表面開(kāi)槽后的電流分布情況，我們可以看出在開(kāi)
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