無線射頻讀寫器天線系統(tǒng)設(shè)計(參考版)
2025-06-06 22:54本頁面
【正文】 但是得到的天線方向性不是很理想，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，通 過采用雙層接地板來增強天線的輻射增益效果，通過接入匹配電路后，達(dá)到方向性良好的無線射頻讀寫器接收天線。在設(shè)計中對天線的各個參量尺寸大小進行仿真分析，最終得到在 433MHz 處 S11 最小的天線。 本論文采用了微帶天線的設(shè)計方法，在不改變工作頻率的情況下把讀寫器天線做的盡可能的小，這樣適合把讀寫器放在駕駛室里而不會占用太大的空間，滿足車主對汽車的舒適和美觀。本論文主要介紹了在 TPMS 系統(tǒng)中無線射頻讀寫器天線系統(tǒng)的設(shè)計。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 5 總結(jié)與討論 隨著現(xiàn)在社會工業(yè)化進程加快，汽車銷量直線上升，汽車的安全性問題越來越引起人們的關(guān)注。在 Y 軸和 Z軸方向具有良好的輻射特性。在接入匹配電路后分析它的 S11 參數(shù)，如圖 412 所示，在 433MHz 處達(dá)到 ，滿足 TPMS 系統(tǒng)中的通信要求。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 410 匹配電路圖 Match circuit diagram 5 . 0 02 . 0 01 . 0 00 . 5 00 . 2 00 . 0 05 . 0 05 . 0 02 . 0 02 . 0 01 . 0 01 . 0 00 . 5 00 . 5 00 . 2 00 . 2 00 . 0 001020304050607080901001101201301401501601701801 7 01 6 01 5 01 4 01 3 01 2 01 1 01 0 0 9 0 8 07 06 05 04 03 02 01 0H FS S D e s i g n 1S m i t h C h a r t 1ANSOFTC u r v e I n f oS ( 1 , 1 )S e t u p 1 : S w e e p 圖 411 匹配后的 Smith 圓圖 After matching Smith chart 在端口 1 接入天線，在端口 2 接入傳輸線。從 Smith圓圖中將其匹配在 50Ω的傳輸線網(wǎng)絡(luò)。 S11 在最低點的頻率為 ，分析出在這一頻點的輸入阻抗約為 (21j55)Ω。在下一節(jié)將介紹天線的匹配電路，改善它的輸入阻抗， 達(dá)到與 50Ω傳輸線相匹配的網(wǎng)絡(luò)。 同時通過 HFSS 軟件仿真發(fā)現(xiàn)多增加一層地板可以起到降低天線的工作頻率的作用，可以縮小讀寫器微帶天線的尺寸。 無線射頻讀寫器天線系統(tǒng)設(shè)計 20 圖 48 天線的增益方向圖 Antenna gain pattern 接地板對天線的 影響 因為在輻射貼片上的電流要小于接地板上的電流，所以接地板要足夠大才可以，至少要比輻射貼片的面積大，通過 HFSS 軟件的仿真分析，增大接地板的面積可以獲得更高的增益效果，降低天線輸入阻抗的作用。后面將介紹通過改善接地板來提高天線的方向輻射增益。設(shè)計的天線全向性不是太理想，在 z 軸方向需要增強。 圖 46 回波損耗 S11的仿真曲線圖 S11 return loss simulation graph 天線的輸入阻抗 如下圖 47 所示的 S11 參數(shù)的 Smith 圓圖，我們可以從圖中看出在 433MHz 處，天線的歸一化阻抗是 () Ω ,說明與 50Ω阻抗匹配良好，符合天線饋線的要求。 m = 39。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 1 0 0 . 0 0 1 5 0 . 0 0 2 0 0 . 0 0 2 5 0 . 0 0 3 0 0 . 0 0 3 5 0 . 0 0 4 0 0 . 0 0 4 5 0 . 0 0 5 0 0 . 0 0F re q [ M H z ]1 0 . 0 08 . 0 06 . 0 04 . 0 02 . 0 00 . 0 0dB(S(1,1))H FS S D e s i g n 1X Y P l o t 4ANSOFTC u r v e In f od B ( S ( 1 , 1 ) )S e t u p 1 : S w e e pe = 39。 天線的帶寬 天線的回波損耗 S11 仿真曲線如下圖 45 所示，從圖中我們可以看出來，當(dāng)回波損耗S1110dB 時的工作頻率在 。 天線性能的分析 利用 HFSS 軟件，通過上述對各重要參數(shù)尺寸的分析，最終確定了最優(yōu)的天線尺寸參數(shù)。 表 45 參數(shù) h 對天線性能的影響 Influence on antenna performance parameters h 參數(shù) c/mm 最低 S11的頻率 /MHz S11最低 /dB S1110dB的帶 /MH 仿真后得到的回波損耗 S11 圖像，如下圖 45 所示。 無線射頻讀寫器天線系統(tǒng)設(shè)計 18 短路片的影響 通過 HFSS 軟件對短路片 h 的高度進行仿真分析，發(fā)現(xiàn) h 對天線的諧振頻率有一定的影響。 表 44 參數(shù) c 對天線性能的影響 Influence on antenna performance parameters c 參數(shù) c/mm 最低 S11的頻率 /MHz S11最低 /dB S1110dB的帶 /MH 432 440 434 439 仿真后得到的回波損耗 S11 圖像，如下圖 44 所示。 圖 43 參數(shù) k對回波損耗 S11的影響 Influence on antenna performance parameters k 從上表和上圖的分析，在考慮工作頻率和工 作帶寬的情況下，選擇 k=。 (2)參數(shù) k(即鋸齒間距 )對天線性能的影響 當(dāng) k=, 時，通過 HFSS 軟件對天線的仿真分析得到如下表 43 所示的數(shù)據(jù)。 表 42 參數(shù) m 對天線性能的影響 Influence on antenna performance parameters m 參數(shù) m/mm 最低 S11的頻率 /MHz S11最低 /dB S1110dB 的帶 /MHz 仿真后得到的回波損耗 S11 圖像，如下圖 42 所示。具體的相關(guān)尺寸如下表 41 所示。 讀寫器天線結(jié)構(gòu) 圖 41 讀寫器天線結(jié)構(gòu) Reader antenna structure 如上圖 41 所示的讀寫器天線的結(jié)構(gòu)示意圖，采用了倒 F 結(jié)構(gòu)的天線，在圖中標(biāo)注出了短路片的位置和饋電點的位置以及貼片天線的形狀。 433MHz 的頻率波長在 69cm 左右，就算是四分之一波長的單極線天線的長度也要在 17cm 多，這樣的射頻讀寫器放在汽車駕駛室內(nèi)是很占空 間的。讀寫器與輪胎內(nèi)的發(fā)射裝置之間的通信頻率設(shè)定在 433MHz 左右。短路加載的效果取決于短路加載的數(shù)量，每個短路加載的面積以及天線的高度。通過這種方法天線的尺寸縮短了一半，實現(xiàn)了小型化的目的 [14]。 (a)接地板開槽前電流分布情況 (b)接地板開槽后電流分布情況 圖 34 接地板開槽后前電流分布情況 After receiving the floor before slotting the Current Distribution 短路加載技術(shù) 基本矩形微帶天線的長度 L 為工作波長的二分之一，矩 形貼片上的電流程駐波分布，那么在兩個開路段之間一定有一個零電位線。這就起到增加天的有效長度 而降低諧振頻率的作用，達(dá)到天線小型化的目的 [13]。這種方法是以犧牲天線的增益為代價。這樣就能在不改變天線尺寸的情況下降低了天線的諧振頻率 [12]。表面開槽分為在貼片表面開槽和在接地板表面開槽。本論文主要介紹曲流技術(shù)和短路加載技術(shù)。目前實現(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)。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 的輻射場會同相疊加，形成最大值。
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