反射效率η=Prad/Pin是发射到空间的功率Prad和注入天线的功率Pin的比值。对于贴片天线,功率损耗可分为三部分:介电损耗、导体损耗和表面波损耗。在RFID频带,基底厚度比在该基底上的波长小得多,使得在表面波的损耗可以忽略不计。反射效率可以由式(2.76)最终确定[VOL 07]:
式中,δ是金属的导电性;f是工作频率;μ0为在自由空间的磁导率;δs是导体的趋肤深度;Qr是辐射品质因数。在[JAC 91]中可以找到作为贴片尺寸和基底介电常数的函数的分析表达式,它表明,Qr是反比于基底厚度和正比于基底介电常数。Qrδs/h为导体损耗的功率和辐射功率的比。Qrtanδ是介电损耗的辐射功率和损耗功率比。
注意,当导体的δ和δs较小,并且基底的tanδ较大时,系统的效率下降。从式(2.76)中可以看出:
(1)低剖面贴片天线的辐射效率随着基底厚度减小而下降。
(2)当h<δ/tanδ时,导体损耗远超介电损耗,成为主要损耗。
为了定量地说明基底厚度的影响,我们研究了一个通用的矩形贴片天线的辐射效率[XI 13]。贴片天线的长度和宽度分别是99.9mm和45mm,馈送点是在一个辐射边缘的中心。由式(2.76)可以获得辐射效率,仿真结果由HFSS提供。在仿真过程中,一个300mm×200mm的铁片被当作接地层,一个δ=4×108S/m的有限导电边界被定义为导体模型。基底是一种PET类型的塑料,其介电常数εr=2.62,tanδ=6.84×10-3。
首先对辐射效率进行了研究,它可以作为基底厚度的天线谐振频率的函数。如图2.54所示,仿真结果和计算结果之间相当匹配。当基底厚度减小时辐射效率单调减小。(www.daowen.com)
图2.54 基底函数的辐射效率的仿真分析[XI 13]
接下来,我们研究了三种基底厚度下反射效率的频率响应。除了两种特殊情况,介电损耗和导体损耗,所有的损耗机制都被考虑在内,并分别进行了评估。为了模拟无介电损耗的辐射效率,基底的tanδ被设定为0。为了模拟无导体损耗的辐射效率,可以使用完美的电导体(PEC)的边界代替HFSS的有限电导率的边界。根据图2.55中所示的仿真结果,辐射效率的频率响应一般是平坦的,尤其是在考虑所有的损耗时。通过在不同基底厚度的情况下比较的三个案例可以发现,在一个大的基底厚度(例如h=0.855mm)下,介电损耗对辐射效率的影响大于导体损耗。在中等的基底厚度(例如h=0.513mm)下,两种损耗的影响相等。而在一个小的基底厚度(例如h=0.171mm)下,导体损耗的影响超过了介电损耗。
图2.55 三种基底厚度下仿真的辐射效率对频率的函数[XI13]
因此得出结论,在非常小的厚度下成功实施超低剖面贴片天线,需要一种良好的导体。因此,几乎不可能在这里采用导电油墨。
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