摘要：阅读器天线的设计涉及到辐射射特性，天线方向图，阻抗特性，S参数，增益，极化方向和工作带宽等诸多要素，加上必需反覆不断的进行成品修正。特性量测时还需提供特定电磁环境的电波暗室专用设备，因此天线工程师都将天线设计视为黑色艺术(blackart)。由于Ansoft公司的电磁场仿真分析技术相当进步， Ansoft Designer对天线设计人员来说,他们不仅可以仿真并优化天线的近场和远场方向图,而且可以非常容易地进行匹配电路的设计以改进天线的性能,尤其是电磁场模拟分析经过整合后，已经可以分析print pattern构成的天线特性(基板型天线)。本文介绍如何利用Ansoft Designer V2模拟分析，探讨RFID阅读器天线的设计技巧。
关键词：矩形贴片天线；网格剖分；S11；仿真；Designer V2
1阅读器天线设计
1.1微带天线的应用
目前，已经研制成各种类型的平面结构印刷天线，例如微带天线、带线缝隙天线、背腔印刷天线以及印制偶极子天线等，各种类型的平面印制天线性能比较如表1.1所示：
到目前为止，微带天线在100MHz~100GHz的宽频带上获得了大量成功应用。
1.2 2.45GHz RFID阅读器天线结构
2.45GHz RFID微带天线采用矩形辐射器的并馈二单元贴片驻波阵，以期获得较尖锐的方向图和高的方向系数。二单元微带贴片天线的设计方案如图1所示。贴片天线的馈电采用偏心馈电方式，馈电的位置确定直接影响天线的辐射特性。如果天线的几何图形只维持主模，微带馈线偏向一边可以得到较好的匹配。采用偏馈时，虽然容易控制输入阻抗，其谐振电阻在140Ω左右，为使与馈线相匹配，必须要加阻抗变换器。该阻抗变换器是切比雪夫阻抗变换器，L1的阻抗为100Ω，L2的阻抗为71Ω,W50为50Ω微带馈线。 为了使各贴片单元获得有效的辐射，当天线阵谐振在2.45GHz时，矩形贴片单元之间的间距d=1/2λ。微带天线的单元既可以单独成为天线，亦可以作为阵列天线的一部分而与其它的相同单元组合使用。无论哪种情况，设计工程师均应掌握单元设计。
图1： 2.45G阅读器天线结构
1.3介质板材料的选择
设计微带天线首先要选取介质板，它不仅影响天线的尺寸、体积和重量，还影响天线的方向性、效率等。薄金属覆层能使天线便于制作，易达到公差要求，但较厚的金属覆层容易焊接。矩形微带天线的 面方向图宽度与两辐射边间距 有关，对于相同的工作频率采用不同的介质板对应的 值也不同，所以 面的波束宽度也就不同。如表1所示。
实验表明，天线介质的厚度影响带宽。对矩形微带天线而言，其频带窄的原因可以理解为两个缝隙之间低的传输线特性阻抗（１～１０?赘）所致。h的增大使传输线特性阻抗增大而使频带变宽，但是厚度的增加不仅使重量增加，而且破坏了微带天线的低剖面特性，因此应综合考虑各种指标以选取介质板。表2给出了不同介电常数和不同介质厚度情况下，典型矩形微带贴片天线的?籽?燮2带宽，取tan?啄=0.0005，?滓=107S/m。
1.3.1 矩形贴片天线单元宽度W的确定
贴片的宽度 影响着天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也就影响着频带宽度和辐射效率。在安装尺寸允许的情况下，W应取的适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但如果W大于下式的值，就会产生高次模，从而引起场的畸变：
2 用Ansoft Designer V2设计RFID天线
Ansoft公司的电磁场仿真分析技术相当进步，Ansoft DesignerV2实现了"所见即所得"的自动化版图功能，版图与原理图自动同步，大大提高了版图设计效率。Ansoft DesignerV2与HFSS，Agilent的ADS相比较，Ansoft DesignerV2采用2.5维的仿真方法，比3维立体仿真更省时，省力。
2.1 设置天线介质板参数
Edit Layers 编辑层
在材料编辑窗口设置天线介质板参数:天线介质板选FR-4。 介质板厚度H=1.6mm, 信号层铜箔厚度T=0.018mm, 介电常数εr= 4.35，损耗正切 tanδ=0.014 。如图2所示：
2.2 利用Ansoft Designer V2估算工具确定单元贴片的W，L，
Ansoft Designer V2估算工具Estimate 给天线设计工程师提供了一个非常人性化的窗口，它可以简化公式1.1，1.2贴片单元的繁琐运算，当你输入矩形贴片天线单元的中心频率f0,希望达到的VSWR，输入阻抗Z50,和天线单元的L就可以得到W，天线带宽，天线效率等等参数 。Ansoft Designer V2估算窗口如图3所示：
实践证明利用Ansoft Designer V2估算工具确定单元贴片的W，L，为天线版图设计提供了一个比较准确的，实用的贴片单元模型。它能够缩短产品研发周期。
2.3 利用Ansoft Designer V2创建物理结构图形
2.3.1 用Ansoft Designer V2估算工具确定单元贴片的W，L参数，打开Draw菜单，点击Primitive项，点击画矩形图标.在右下方输入起始坐标点坐标位置X：0，Y：0，>Tab。
2.3.2 输入贴片天线的长度L，宽度W。确定贴片阵元的距离d,输入偏移量。
2.33 绘制微带线。
2.3.4 设置port (probel)
2. 4 Ansoft Designer V2的网格剖分
平面三角元在高频方法和低频方法中都有非常重要的地位。该方法是将目标面近似地采用小的平面三角形依次拼接而成，是一种非常有用的模型表示方法。由于采用三角形的近似曲面该方法的精度不够高，计算结果由于网格的设置不当甚至结果不能收敛，一般使用默认。
初始计算一般使用自动划分网格（Adaptive Meshing ）自动生成网格 ；用麦克斯韦程组可以获得场解；完善网格基于误差分析每个四面体的领域。
当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件自动划分比较省心。
如下图4所示利用Ansoft Designer V2建立的并馈二单元天线的模型和网格剖分。
2. 5 电磁计算：
微带天线分析的基本问题是，求解天线周围空间建立的电磁场；求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输人阻抗等特性指标，另外，微带天线的馈电，对天线的性能有至关重要的作用。馈线的长度和宽度直接影响着天线的谐振频率；馈电点的位置决定着天线边沿上的电流幅度、相位分布以及谐振频率。因此，对馈电方式的选择是设计成功与否的关键因素 。在本设计中采用微带线馈电。
在电磁计算之前一定要用Validation Check检查电磁参数是否设置正确。如果有一项设置不当，都无法进行仿真。
Validation Check检查如图5所示。
Ansoft Designer V2对电磁场的仿真有很高的准确性，所得到的数据对于我们设计实际电路有重要的指导意义。
3 仿真及实测结果
图6是经微带线匹配补赏的天线Smith圆图。天线在2.45GHz 处谐振，天线的S11在2.4GHz-2.5GHz频段呈现的轨迹通过原点，在2.45GHz时VSWR为1.018。
图7为并馈二单元天线的VSWR仿真曲线，图8为并馈二单元天线的VSWR实测频响曲线。仿真结果与实际测试结果比较，基本吻合。
贴片天线的边缘电场可以分解成垂直分量和切向分量，其两个垂直分量在远区辐射场互相抵消。而在切向分量是同相的，其远区辐射场互相加强。因而在无限大接地平面的情况下，矩形贴片天线的最大辐射场垂直于微带天线平面。如图10所示。
接近天线的区域为近场或菲涅耳（Fresnel）区,离天线较远的称为远场或夫琅和费（Fraunhofer）区。图11为天线的3D远场辐射仿真图。
4结论:
Ansoft Designer v2将系统,电路和电磁场仿真工具无缝的集成到一起,为天线设计带来了极大方便。例如,对天线设计人员来说,他们不仅可以仿真并优化天线的近场和远场方向图,而且可以非常容易地进行匹配电路的设计以改进天线的性能,并可以研究它对系统性能的影响。
以S11为目标利用仿真优化器来求所需传输线长度的方法 ，是一种省时省力有效的方法。
参考文献
[1] 钟顺时，微带天线理论与应用[M]。西安电子科技大学出版社，1991
[2] 王聪敏，高向军，微带天线的宽频带技术[j]电子对抗技术。2003，18（5）：23-26
[3] I.J.鲍尔 P.布哈蒂亚 ，微带天线 1980
[4] H. Johnson, M. Graham, High Speed Digital Design, Prentice Hall, 1993, ISBN 0133957241 [5] T.S. Rappaport, Wireless Communication, Principles and Practice, Prentice Hall, 2002, ISBN 0-13-042232-0
[6] 张均、刘克诚、张贤铎等，微带天线理论与工程[M].，国防工业出版社，1988.7.
[7] Ansoft designer manual v2 internal 2004
[8] K ossel M,et al.Circularly Polarized,Apertrue cou-pled Patch Antennas for a 2.4 GHz System,Mi-crowave ournal,1999(11).
