可用作功率放大器中電感的RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

于毅敏，李建雄，曲海濤，毛陸虹

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

可用作功率放大器中電感的RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)

于毅敏1，李建雄1，曲海濤1，毛陸虹2

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

提出一種小型化的、諧振頻率為2.45 GHz的RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)方法，標(biāo)簽天線被設(shè)計(jì)作為差分功率放大器（PA）的諧振電感.由于使用PCB偶極子天線代替兩個片上的集成電感，總的放大器芯片面積降低到240 μm×70 μm.對該天線進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)物測試，結(jié)果顯示實(shí)物標(biāo)簽天線諧振頻率為2.45 GHz，PA工作于AB類型，供電電壓為1.8 V，輸入信號頻率為2.45 GHz，在1 dB壓縮點(diǎn)處PA輸出功率為8 dBm.

射頻識別；標(biāo)簽天線；功率放大器；諧振電感

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)是一種通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，從而對目標(biāo)進(jìn)行識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的技術(shù).它具有精度高、讀取距離大、讀寫速度快、存儲數(shù)據(jù)容量大、適應(yīng)能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注.近年來，RFID技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用于多個領(lǐng)域[1-3].在設(shè)計(jì)功率放大器（power amplifier，PA）過程中，線性度和芯片面積通常是最重要的影響因素.為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的PA設(shè)計(jì)，現(xiàn)今涌現(xiàn)出許多高集成的、高線性度的PA產(chǎn)品，然而，在這些PA產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，基本都是應(yīng)用片上或片外的射頻電感來作為其電路的組成部分[4-5].由于片上的射頻電感會占用很大的芯片面積，進(jìn)一步增加生產(chǎn)制造成本；而片外的射頻電感會導(dǎo)致較低的芯片集成密度.綜上所述，如何減小PA芯片上射頻電感占用面積，從而設(shè)計(jì)出總面積更小、集成化更高的PA芯片，成為一個熱點(diǎn)問題.本文提出了一種偶極子標(biāo)簽天線，天線的輸入電阻和電抗可以分別通過選擇合適的幾何參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，這使得天線容易匹配具有小阻抗和大電抗的標(biāo)簽芯片[6].本設(shè)計(jì)中標(biāo)簽天線作為PA的諧振電感，代替PA原有的諧振電感.原有芯片上的射頻電感器總占地面積很大，生產(chǎn)成本將會相應(yīng)增加，然而使用PCB天線作為PA電路的一部分，使PA在CMOS工藝加工下去除片上的諧振電感，可極大地減少PA芯片電路的總面積.

1 天線電路設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)中，偶極子標(biāo)簽天線作為PA電路的一部分，PA電路模型如圖1所示.

圖1 PA的電路模型Fig.1 Schematic of PA circuit

圖1中，M1至M4為串聯(lián)晶體管，與CO1、CO2都屬于片上器件[7-8].根據(jù)天線設(shè)計(jì)理論得知，PCB天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)是為了提供串聯(lián)電感和電阻[9].偶極子天線的等效電路如圖2所示.

圖2 偶極子天線的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of dipole antenna

圖2中，La1和La2為等效電感，Ra1和Ra2為等效輻射電阻.La1、La2、Ra1、Ra2與片上電容CO1、CO2共同組成諧振電路，該電路諧振在工作頻率的同時濾除二次及以上的諧波.上述的等效RLC諧振電路如圖3所示.

圖3 等效RLC諧振電路Fig.3 Equivalent RLC resonant circuit

假設(shè)La1=La2=La，Ra1=Ra2=Ra，CO1=CO2=CO，La1′=La2′=La′，Ra1′=Ra2′=Ra′，可得：

式中：QRLC表示諧振電路的Q值，

PA的最大輸出功率POUTmax由負(fù)載阻抗Ra′和電源電壓VDD決定：

經(jīng)過上述分析，為使電路工作在諧振頻率f=2.45 GHz和得到理想的QRLC，等效電感La1被設(shè)計(jì)為5 nH.考慮寄生電容的影響，片上電容被設(shè)計(jì)為650 fF.在電源電壓為1.8V時，為得到最大輸出功率10 mW，即VDD= 1.8 V，POUTmax=10 mW，代入（4）式，經(jīng)過計(jì)算，可以得知：

2 天線結(jié)構(gòu)

本文在仿真軟件HFSS v12的輔助下，設(shè)計(jì)了一個工作頻率在2.45 GHz的偶極子標(biāo)簽天線.根據(jù)天線的尺寸及諧振頻率要求來選擇合理的天線板材及結(jié)構(gòu)參數(shù).天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 標(biāo)簽天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Geometry of proposed tag antenna

天線的總體尺寸為21.91 mm×31.5 mm；基板材料為Duroid，其中介電常數(shù)εr=2.2，損耗正切角tan δ=0.009，厚度H=1 mm.其它結(jié)構(gòu)參數(shù)為：L1=15mm，L2= 14 mm，L3=3.75 mm，L4=5 mm，W1=0.83 mm，W2= 2 mm，W3=3.13 mm，D=1.5 mm.

幾種類型PA所占面積的比較如表1所示.

表1 PA所占面積比較Tab.1Comparison of PA areas

3 仿真與測試結(jié)果

本文利用Ansoft HFSS軟件對前文提出的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真，并對仿真優(yōu)化后的天線進(jìn)行加工制板，最終對實(shí)物天線進(jìn)行測試比較.利用HFSS仿真后的模型如圖5所示.天線的中心頻率設(shè)置為2.45 GHz，天線的回波損耗如圖6所示.

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

圖6 S11仿真圖Fig.6 Simulation of antenna return loss

由圖6可知，天線在2.45 GHz處諧振，諧振點(diǎn)處的S11是-40.396 1 dB，且-10 dB帶寬為500 MHz.

圖7所示為阻抗仿真圖.

由圖7可知，天線在2.45 GHz時的阻抗值為Za′= 52.940 2+j154.645 9 Ω.由前文可知，天線在2.45 GHz時的設(shè)計(jì)阻抗值為Za=56+j154 Ω，對比得知，仿真結(jié)果與理論分析計(jì)算相符.

圖7 阻抗仿真圖Fig.7 Simulation of antenna impedance

根據(jù)上述仿真模型，對天線進(jìn)行制板，實(shí)物圖如圖8所示.本文使用安捷倫公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5070B對制板的天線進(jìn)行測量，通過端口擴(kuò)展即使用同軸線與天線芯片引出的SMA接口相連，從而測量天線回波損耗等參數(shù).天線背面的引線及SMA焊接如圖9所示.

圖8 天線實(shí)物圖Fig.8 Fabricated tag antenna

圖9 天線背面圖Fig.9 Back of fabricated tag antenna

圖10所示為通過網(wǎng)絡(luò)分析儀所測試的天線回波損耗（S11）.

從圖10可以看出天線的諧振中心頻率為2.449 GHz、S11為-31.718 dB，與仿真設(shè)計(jì)中心頻率2.45 GHz、S11為-40.396 1 dB基本相匹配.

圖10 S11測試圖Fig.1 0S11of tag antenna obtained from test

圖11所示為實(shí)際測量PA的輸出功率曲線.測試過程中由網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生2.45 GHz輸入信號，輸出功率的測量采用安捷倫公司的頻譜分析儀E4402B.測試結(jié)果表明，在電源電壓為1.8 V的情況下，PA的P1-dB（1 dB壓縮點(diǎn)）為8 dBm，同時布線后的仿真結(jié)果如圖11所示.

圖11 2.45 GHz時測量與仿真輸出率圖Fig.11 Measured and simulated output power at 2.45 GHz

由圖11可知，實(shí)際測量與仿真的功率相差5 dBm，這主要是由于射頻晶體管的精度不足和傳輸損耗所導(dǎo)致的.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款2.45 GHz的RFID標(biāo)簽天線，該P(yáng)CB偶極子天線被應(yīng)用于PA電路中，代替原有的片上集成電感，作為差分功放的諧振電感.由于減少了兩個片上集成電感的使用，總的芯片面積減小到只有240 μm×70 μm.對天線的仿真模型進(jìn)行加工制板，利用測試設(shè)備對樣品進(jìn)行相應(yīng)測試，結(jié)果表明，PA工作于AB類型，供電電壓為1.8 V、輸入信號頻率為2.45 GHz，在1 dB壓縮點(diǎn)處PA輸出功率為8 dBm.由此建立了一種新型的RFID標(biāo)簽天線和PA之間的匹配方式.

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Design of RFID tag antennas used as inductors in PA

YU Yi-min1，LI Jian-xiong1，QU Hai-tao1，MAO Lu-hong2
（1.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A small 2.45 GHz radio frequency identification（RFID）tag antenna is presented.The RFID tag antenna is designed as a resonance inductance of the differential power amplifier（PA）.The total PA chip area is reduced greatly to only 240 μm×70 μm due to the fact that a printed circuit board（PCB）dipole antenna substitutes for the two on-chip integrated inductors.The proposed design methodology is verified by comparing the calculations and measurements，which show the tag antenna works at 2.45 GHz.Operating in Class-AB with a 1.8 V supply voltage and 2.45 GHz input signal，the PA shows an output power of 8 dBm at the 1 dB compression point.

RFID；tag antenna；power amplifier（PA）；resonance inductance

TN722.1

A

1671－024X（2013）06－0072－04

2013-06-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61072010，61372011）

于毅敏（1988—），男，碩士研究生.

李建雄（1969—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn