無線耦合信號傳輸天線的設計和阻抗匹配

李凱麗，梁 庭，洪應平，楊 芳，秦 麗，熊繼軍

(中北大學a.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室;b.電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051)

1 無線耦合傳輸簡介

在一些非接觸信號傳輸場合，如射頻識別(Radio Frequency Identity，RFID)技術，利用無線耦合信號傳輸方式進行非接觸雙向通信，實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別對象的目的［1-3］。無線耦合信號傳輸通過兩個電感線圈的互感耦合實現(xiàn)，原理如圖1所示［4］。在遠距離互感耦合情況下，需要增大信號發(fā)射天線端能量，因此需要對信源與發(fā)射天線進行阻抗匹配。本文設計了中心頻率為7.812 MHz的信號讀取天線，并對天線進行阻抗匹配，使信號發(fā)生器發(fā)射的信號能以最大功率傳輸?shù)阶x取天線端。

圖1 無線耦合傳輸原理

2 天線的設計研究

2.1 平面螺旋電感設計

無線耦合信號傳輸通過天線實現(xiàn)，在此使用由電容與電感組成的LC諧振天線，根據(jù)體積面積方面的要求，將天線中電感設計成平面螺旋結構，有正方形、六邊形、八邊形、圓形等形狀［5-6］，如圖2 所示。

圖2 平面螺旋電感結構示意圖

通過式(1)可以計算出平面螺旋的電感值，其中電感 的內徑、外徑、線寬、線間距等因素都會影響電感值的大?。?-8］，在設計時需要對這些影響因素進行綜合考慮。

電感計算公式為

式中:μ為磁導率，真空磁導率μ0=4π×10-7;n為電感線圈匝數(shù)，其他參數(shù)如表1所示。

表1 電感計算公式參數(shù)

2.2 天線參數(shù)設計

對LC諧振天線進行阻抗匹配，天線由100 pF的電容與4 μH的平面螺旋電感組成，諧振頻率為

天線諧振頻率的理論值為7.94 MHz，示波器測試天線諧振頻率為7.812 MHz，測試結果如圖3所示。其中4 μH的平面圓形螺旋電感采用環(huán)氧樹脂基底，結構參數(shù)為n=10，din=21 mm，dout=40 mm，w=0.5 mm，s=0.5 mm。根據(jù)式(1)計算電感理論值為3.995 μH，使用Aglient公司的4284A(LCR表)儀器測量的電感值為3.995 μH，實際測量與理論計算基本吻合，說明式(1)是合理的。

圖3 示波器測試天線諧振頻率(截圖)

3 天線阻抗匹配設計

3.1 阻抗匹配原理

阻抗匹配有兩種形式，一種是負載阻抗等于信源內阻抗，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸;另一種是負載阻抗等于信源內阻抗的共軛值，這時在負載阻抗上可以得到最大功率［9］。如果信源內阻抗和負載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件等同。常見的阻抗匹配網(wǎng)絡有L形、π形、Γ形［10-11］。為了保證信號發(fā)生器發(fā)射的信號能以最大功率傳輸?shù)教炀€端，天線與信號的發(fā)射端須達到阻抗匹配，在此建立L形阻抗匹配網(wǎng)絡來實現(xiàn)信號的最大功率傳輸，如圖4所示。

圖4 L形阻抗匹配示意圖

圖4中，Zin的表達式為

在無線耦合信號傳輸中，當天線與遠端測試諧振器互感耦合時，通過天線端信號變化測得遠端測試諧振器的諧振頻率。遠端測試諧振器發(fā)生變化時，在阻抗匹配前，互感耦合的信號比較微弱，容易受到震動、溫度、外界電磁等噪聲的影響，造成近端測試誤差大或無法測量的問題，阻抗匹配后，互感耦合的能量增大，非接觸式測試系統(tǒng)中的測量信號較匹配前穩(wěn)定，不易受外界噪聲干擾。

3.2 天線阻抗匹配過程

首先對電感為4 μH、中心頻率為7.812 MHz的天線進行阻抗匹配設計，然后對設計的阻抗匹配進行ADS軟件仿真，天線諧振頻率為7.812 MHz時，天線端阻抗ZL=1.7 Ω，為使天線端與信源特性阻抗50 Ω達到匹配，在天線端首先串聯(lián)184.6 nH的電感，再并聯(lián)2.17 nF的電容，天線端匹配后S=49.99+j×0.25 Ω，阻抗匹配示意圖如圖5所示，ADS仿真結果如圖6所示。

圖5 天線阻抗匹配示意圖

4 天線阻抗匹配測試

根據(jù)ADS軟件阻抗匹配結果，搭建阻抗匹配電路，從天線端串聯(lián)180 nH的電感，再并聯(lián)2.2 nF的電容，匹配電容兩端接RIGOL DG3061A信號發(fā)生器，天線兩端接RIGOL DS6064示波器，如圖7所示。

圖6 ADS仿真結果圖

圖7 天線阻抗匹配電路

信號發(fā)生器首先發(fā)射掃頻范圍為1～50 MHz、掃頻時間1 ms、Vpp為5.0 V的掃頻信號，電路中只有諧振天線時，使用示波器測試諧振天線端電壓情況，天線阻抗未匹配時，諧振信號峰峰值電壓17.0 V，阻抗匹配后，諧振信號峰峰值電壓22.7 V，如圖8所示?？梢钥闯鲎杩蛊ヅ浜箅姼袃啥说碾妷涸龃笄襋值也相應增大，說明阻抗匹配后天線端接收的信號增強，可以更方便準確地判斷分析天線諧振信號。

圖8 阻抗匹配前后天線端電壓(截圖)

信號發(fā)生器發(fā)射定頻信號，頻率為天線諧振頻率7.812 MHz，在只有諧振天線的情況下，匹配前測試電感兩端電壓17.7 V，匹配后測試電壓23.4 V;天線與傳感器耦合時，匹配前電感兩端電壓12.5 V，比耦合前17.7 V降低5.2 V，匹配后測得電感兩端電壓為4.2 V，比耦合前23.4 V降低19.2 V，測試電壓如表2所示。阻抗匹配后諧振信號明顯增大，可以更加方便地判斷分析傳感器的諧振信號。

表2 阻抗匹配前后天線端測試電壓

5 結論

在無線耦合信號傳輸過程中，為了保證信號能以最大功率傳輸?shù)教炀€上，對傳輸天線進行阻抗匹配，并對阻抗匹配結果進行ADS仿真，搭建阻抗匹配電路，通過測試傳輸天線端信號來判斷諧振情況，實驗證明阻抗匹配后天線端電壓幅值與Q值明顯增大，可以更加方便地檢測諧振信號。

［1］龍飛.RFID標簽天線的設計研究［D］.成都:電子科技大學，2009.

［2］童喬凌.RFID閱讀器芯片設計及通訊算法研究［D］.武漢:華中科技大學，2010.

［3］王魏，黎希，宮召英，等.射頻衛(wèi)星電視天線電路中LC壓控振蕩器設計［J］. 電視技術，2012，36(21):71-73.

［4］YANG Fang，LIANG Ting ，YANG Xujun，et al.Study on the wireless transmission performance of the passive pressure sensor［C］//Proc.2011 International Conference on Electronics and Optoelectronics.Dalian:IEEE Press，2011:155-158.

［5］齊立榮.平面螺旋電感的計算和仿真研究［D］.大連:大連海事大學，2007.

［6］郭晨.改進型超寬帶Vivaldi天線設計與仿真［J］.電視技術，2012，36(19):151-154.

［7］FONSECA M A.Polymer/ceramic wireless MEMS pressure sensors for harsh environments:high temperture and biomedical applications［EB/OL］.［2012-09-10］.http://adsabs.harvard.edu/abs/2007PhDT.96F.

［8］SALPAVAARA T，VERHO J，KUMPULAINEN P，et al.Readout methods for an inductively coupled resonance sensor used in pressure garment application［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2011，172(1):109-116.

［9］MOHAN S S，DEL MAR HERSHENSON M，BOYD S P，et al.Simple accurate expressions for planar spiral inductances［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，1999，34(10):1419-1424.

［10］劉東宇.自動阻抗匹配器檢測電路設計及匹配算法研究［D］.合肥:中國科學技術大學，2010.

［11］宋旭亮，朱義勝.微帶天線的設計和阻抗匹配［J］.現(xiàn)代電子技術，2008(1):73-75.

［12］SHE Jingzhao，CHEN Minghui，WANG Hui.Input impedance and impedance matching of a dual-cylindrical antenna array［C］//Proc.2nd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.［S.l.］:IEEE Press，2000:279-282.