塑料蜿蜒线天线的优化电路2.45 GHz的应用程序

文摘

研究人员试图设计电小平面天线射频识别应用程序。使用多参数优化,各种蜿蜒线天线的设计谐振频率和最大辐射效率最低的一个固定的网格大小。这样的一个设计微波频率的辐射效率最高为优化包括阻抗匹配结构。天线是用银墨水印刷有机玻璃衬底上使用塑料(CiP)技术的电路嵌入式电子元件。测量的散射参数(在共振)−18.43 dB。天线的辐射效率测量使用简单的和改进的惠勒帽方法74.4 / 74.1%。CiP电小天线的辐射方向图是环形的主瓣幅度为0.453 dB和高程平面的角宽度为84.2°。测量10 dB部分天线的带宽是18.98%。结果与银/铜在空气中天线优化实现固定网格大小的辐射效率最高。塑料在微波频率天线是可行的。

1。介绍

优化天线设计已经成为不可或缺的研究领域,因为许多应用程序需求空间减少,良好的阻抗匹配,提高天线效率,和其他天线参数。这些天线可用于各种RFID应用程序包括游泳通信、潮汐监测、无线通信、autosensing门,和遥控玩具。电小天线理论首次引入了惠勒(1天线封装在一个球体的半径这样,在那里是在感兴趣的频率波数。小型天线性能限制在效率方面,增益,和带宽,通常有小电阻和电抗大,导致可怜的阻抗匹配常用的输电线路(2]。Marrocco [3减少)提供各种尺寸的调查和阻抗匹配技术超高频RFID天线设计。

印刷电路板(PCB)制造业由传统的方法不容易回收再利用。铜是一种污染物在环境中,尽管它是一种最高导电材料。一些研究主要集中在开发新材料,可以替代铜。电路在塑料(CiP)介绍4)技术制造完全防水电路在外壳的热过程的步骤。透明塑料基板需要使用在潮湿,尘土飞扬,高影响力的环境。这种技术建议使用银墨水导体代替铜减少生产过程对环境的影响。另一个选择是使用导电聚合物实现光学透明性,这使得它可以集成天线接口而不失去透明度(5- - - - - -8]。最近,一个全面的研究强调了降低电导率对天线性能的影响(9),因为它直接影响阻抗、辐射和散射(例如,吸收和灭绝横截面)天线的性能。刘易斯等人。10- - - - - -12)使用蚁群算法来优化小蜿蜒线天线在一个固定区域,发现固定的最高及最低的共振频率结构网格的大小。Shahpari等人优化各种迂回地“空气线”天线在一个固定的网格大小对辐射效率最高和最低共振频率(13]。

辐射效率()等各种方法可以测量天线的惠勒帽(14)、方向性的比例获得和的比值来衡量问因素的理想问因素(15,16]。惠勒帽方法被认为是最准确的方法是基于将天线插入密封金属容器,分离辐射电阻()和阻力损失的天线。天线的辐射效率使用惠勒帽方法计算使用 在这里,天线阻抗测量的电阻部分在惠勒帽,而天线测量的电阻在自由空间。惠勒帽的方法是最简单的效率测量方法是不可靠的在所有可能的情况下17,18]。约翰斯顿和McRory19]提出重复惠勒盖在波导测量滑动帽至少三次各种额外的容器内进行对象。滑动帽结果在惠勒盖测量散射参数()的天线,它可以用来画一个圆在史密斯圆图来确定天线的效率。在共振天线的辐射效率计算与最低(圆上的点)和最大()的距离测量天线的自由空间使用 这种改进的惠勒盖方法虽然需要更多的计算时间,但更加可靠。

Yaghjian和最好的20.)定义匹配的天线的电压驻波比带宽 在这里,和共振频率的频率两侧是吗对于一个固定的电压驻波比的值。方程(3)可用于测量部分带宽(3 dB或10 dB)的任何调整天线的充分条件下一阶导数天线阻抗的实部和虚部不改变测量带宽明显。

本文报告设计策略,实验测量了线曲线优化偶极天线辐射效率最高的一个固定的网格大小,使用多参数优化(13]。辐射效率最高(最初的优化设计13)是修改的包含匹配结构改进常用的传输线阻抗匹配(21]。设计用银墨水打印在3毫米透明有机玻璃塑料衬底使用电路(CiP)技术的嵌入式电子元件。采用透明有机玻璃作为集成天线与衬底表面而不失去透明度。

2。电路在塑料(CiP)设计和制造过程

电路在塑料(CiP)天线设计优化使用3毫米有机玻璃衬底(介电常数:;损耗角正切:)在微波频率。匹配的结构(磁道宽度= 0.2毫米)是包括改善与50欧姆阻抗匹配参考输电线路改变原始设计的尺寸(13)优化了辐射效率最高。银墨水被选为导体导电率()S / m(见“Electrodag 479 ss技术数据表”)。50欧姆离散端口用于喂养天线在CST仿真(图1(一))。的尺寸优化天线包括匹配的结构如图1 (b)。天线的最大尺寸是35.6毫米被自由空间波长的29%。

图2显示了银墨印刷工艺:有机玻璃衬底(图2(一个)),一个屏幕的网格数每平方厘米(图90个线程2 (b)(图),应用银墨水2 (c)),最终产品(图2 (d))。印刷设计治愈在高温(93°C)实现导电率为15分钟银墨水。印刷天线是直接粘在长20.2厘米的帮助下同轴电缆导电环氧树脂用于测量(见图3)。另一个同轴电缆连接器两端(如图3)拥有完全相同的长度和规格是校准(短、匹配和打开)使用标准的校准设备。校准电缆,取代它的是电缆的安装(粘)天线。这个过程消除了同轴电缆的影响粘在天线天线的阻抗和散射参数测量。提出设计方法适用于有电阻匹配特性阻抗(50欧姆)同轴电缆。

3所示。结果与讨论

3.1。CiP天线的阻抗

模拟和测量电阻()天线的频率范围2 - 3 GHz如图4。电阻制作天线的谐振频率非常接近50欧姆(即。,matched to commonly used transmission lines). Wheeler cap (WC) measurement of the resistance ()的惠勒帽使用的天线辐射效率测量部分3.3.1也显示在图。模拟和测量(自由空间和惠勒帽)电抗的天线频率范围2 - 3 GHz如图5。图表表明,自由空间天线共振发生在2.45 GHz。

3.2。CiP天线的散射参数

图6是一块模拟和测量散射参数CiP天线的dB)。天线共振与测量2.45 GHzdB。与仿真结果是在良好的协议。10 dB部分电压驻波比带宽CiP天线的计算使用(3)为18.98%。图还包括测量(WC1-WC3)通过将天线在惠勒盖插入各种导电物体和滑动帽的位置。这个数据是用于测量天线的使用效率改进的惠勒帽方法(19]介绍了节3.3.2。

3.3。CiP天线的辐射效率

3.3.1。惠勒帽(WC)方法

方程(1)是用于计算辐射效率()附近的天线共振(GHz),基于自由空间和惠勒帽(WC)电阻(图4)的天线。测量结果()是在良好的协议与模拟天线的辐射效率(见图7)。

3.3.2。改进的惠勒帽(IWC)方法

天线的辐射效率进一步验证了使用一种改进的惠勒帽(IWC)方法(19]。该方法(19]表明插入不同的导电对象在惠勒帽(铜线、泡沫塑料、铜包等)来提高匹配。天线是插入导电圆柱体(直径5.5厘米),使用一个可移动的塑料密封帽(红色)铝箔(图覆盖着8)。帽是搬到不同的位置沿气缸获得多种WC1-WC3惠勒盖测量的dB)(图6)。这些数据被绘制在史密斯圆图(图9在共振频率,这样一个圆可以通过将自由空间的WC测量数据(蓝色点)。天线的辐射效率在共振频率计算(2)与最低使用圆上的点()和最大()自由空间的距离测量(蓝点)的天线。在共振天线的辐射效率使用IWC方法验证部分中给出的结果是74.1%3.3.1。

3.4。CiP天线的辐射模式

模拟和测量辐射模式(实现增益)的CiP天线仰角平面如图10。时间间隔的测量数据是在15°旋转角的CiP天线360°消声室。喇叭天线用作源激发的CiP天线。CiP天线放置在喇叭天线的远场区域的距离米,满足远场的关系,在那里是最大的天线的尺寸。因为电小天线是众所周知的小增益(2),辐射方向图的主瓣级天线的0.453 dB的角宽度84.2°。

3.5。优化天线的散射参数在空气中(没有底物)

模拟散射参数的比较(dB)和共振频率的优化后的天线设计“空气”包括匹配结构被显示在图11对两种不同的金属:银墨水(S / m)和铜(S / m)。这两种天线,没有衬底,提供的共振GHz与一个优秀的50Ω参考传输线阻抗匹配。因此提出了天线设计可以用于银墨水或铜作为导体产生良好的阻抗匹配,常用的输电线路,在共振。10 dB部分带宽墨银/铜天线在空气中(没有衬底)计算使用(3)是7.93 / 7.91%。

3.6。优化天线的辐射效率在空气中(没有底物)

辐射效率优化的银墨水/铜天线没有基质比较在频率范围3.2 - 4 GHz(见图12)。可以看出,在共振,也就是说,GHz,银墨天线的辐射效率是96.2%。铜天线具有类似维度产生共振辐射效率为99%。它可以得出结论,优化“空气”蜿蜒线天线可以提供最高的辐射效率(,当银墨水或铜被选为一个导体。

3.7。优化天线的比较研究

表1提供了一个比较的共振频率、辐射效率和10 dB的部分带宽3模拟优化天线辐射效率最高。空气中的铜天线(即。,having no substrate) resonates at 3.53 GHz with的99%,而10分贝。银墨水天线没有底物显示减少2.8%,而铜天线辐射效率的空气与10 dB。然而,当银墨水印制天线3毫米厚的有机玻璃衬底使用CiP技术的嵌入式电子元件,天线谐振在2.45 GHz的74.4%,而10分贝%。由于其高厚度、有机玻璃衬底有助于改善天线的带宽。然而,印刷天线的辐射效率降低成本提高带宽。

4所示。结论

一个CiP电小天线辐射效率最高为2.45 GHz RFID应用程序。最初的“空气”天线设计(最高辐射效率优化的固定网格大小)与包含一个匹配的结构修改更好的匹配常用的输电线路。这改变原始的尺寸优化设计略;然而,修改后的设计还提供了辐射效率最高(在共振,当银墨水或铜被选为一个导体。设计时印在3毫米有机玻璃基质利用CiP技术,测量了天线的辐射效率降低到74.4%,改善部分10 dB的天线带宽的18.98%。厚度较大的基质帮助改善天线射频识别应用程序的带宽。透明有机玻璃基板可用于天线应用透明度是一个重要的问题。CiP天线可以用来取代传统的印刷电路板(PCB)天线在潮湿,肮脏,和影响力的环境。丝网印刷过程与养护和纹理可以为高容量生产高度自动化。印刷天线可以密封在塑料薄膜叠层制造设计可行的范围广泛的应用程序,包括游泳通信和潮汐监测。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

高人气的马吉德愿意支付她最深的谢意为HDR格里菲斯大学奖学金。项目财务支持的弧DP130102098澳大利亚研究理事会。将名Shahpari博士感谢他的指导使用改进的惠勒盖效率测量方法。

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