基于ADS的RFID閱讀器天線設(shè)計與實現(xiàn)

邊　莉,　李彥卿,　楊長城,　張玉石

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于ADS的RFID閱讀器天線設(shè)計與實現(xiàn)

邊莉,李彥卿,楊長城,張玉石

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為實現(xiàn)閱讀器天線的便攜式和實用性,將傳統(tǒng)的設(shè)計方法與先進(jìn)的電路仿真軟件(ADS)相結(jié)合,利用ADS軟件原理圖與Momentum聯(lián)合仿真,使用柔性電路板(FPC),設(shè)計一款基于RC500/RC52X射頻芯片的RFID閱讀器天線。實物樣機的仿真與測試結(jié)果表明:該閱讀器天線各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求；與傳統(tǒng)閱讀器天線相比,其尺寸縮小了30%～50%,在工作頻率處回波損耗小于-35 dB,輸入阻抗50 Ω適應(yīng)當(dāng)前閱讀器天線小型化、柔性化的發(fā)展趨勢。

RFID; 閱讀器天線; 小型化; ADS仿真

0　引　言

閱讀器天線是RFID系統(tǒng)當(dāng)中極為重要的組成部分[1]。隨著RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用,特別是電子產(chǎn)品普遍趨向便攜式、實用性,更要求其具有小型化的特點[2]。例如工作頻段為13.56 MHz,主要應(yīng)用于貨物貯存標(biāo)記、物聯(lián)網(wǎng)的終端實體等,在這種些特殊條件下,傳統(tǒng)的閱讀器天線難以應(yīng)用到對尺寸以及柔韌性要求較高的系統(tǒng)設(shè)計中。筆者根據(jù)閱讀器天線的磁場耦合工作原理,借助具有精確仿真能力的ADS,進(jìn)行原理圖與版圖的聯(lián)合仿真,并加工實物樣機進(jìn)行測試。該天線的工作頻率為13.56 MHz,在工作頻率處回波損耗小于-35 dB,阻抗50 Ω使用柔性電路板(FPC)。

1　天線尺寸及匹配電路

設(shè)計閱讀器天線通常應(yīng)該考慮天線尺寸、匹配電路的品質(zhì)因子Q和閱讀器周圍環(huán)境的影響三個因素[3]。

1.1天線尺寸

常見的閱讀器天線有環(huán)形和矩形兩種[4]文中閱讀器天線采用矩形,該天線距中心垂直距離X處的磁通量密度,由式(1)算出[5]:

(1)

式(1)中,B為磁感應(yīng)強度,T;μ0=4π×10-7H/m;N為天線線圈的匝數(shù);I為線圈中電流強度。由式(1)可知磁感應(yīng)強度B與距離X成反比,即磁場強度隨著距離X的變遠(yuǎn)而減弱。

天線線圈的電感可用式(2)估算:

(2)

式(2)中,L為天線電感估計值,nH;l1為一圈天線導(dǎo)線環(huán)的長度,cm;D1為PCB線圈導(dǎo)線的寬度;若線圈為環(huán)形,則K=1.07,若線圈為矩形,則K=1.47;N為線圈匝數(shù)。

從式(1)和(2)可見,增加線圈的匝數(shù)N可增大線圈的磁感應(yīng)強度B,使得線圈的有效工作距離增大。天線線圈電感L與線圈匝數(shù)N的1.8次方成正比,增加匝數(shù)N會使線圈的電感L增大。常用天線的電感L不宜過大,一般小于5 μH,否則阻抗匹配較難實現(xiàn)。

綜合上述考慮及電路加工工藝要求,文中設(shè)計的矩形閱讀器天線的幾何圖形如圖1所示。具體參數(shù)為:a=30 mm,b=20 mm,w=0.5 mm,s=0.5 mm,N=6,t=0.035 mm。

圖1　天線的幾何尺寸

1.2天線匹配電路

為使天線正常工作,需要設(shè)計合理的匹配電路,從而使得天線本身有較低的阻抗進(jìn)行變換。匹配電路如圖2a所示。根據(jù)電路的對稱性原理,將電路進(jìn)行簡化,如圖2b所示[6]。

圖2　天線匹配電路

匹配電路中的C1a、C1b、C2a、C2b和Re可通過式(3)～(5)計算得到。

(3)

(4)

(5)

最后,估算的電容值為C1a=30 pF,C2a=85 pF,電阻值為R=2 Ω。

2　模型建立及優(yōu)化仿真

根據(jù)第1節(jié)中確定的濾波器結(jié)構(gòu),在ADS的layout窗口中進(jìn)行繪制PCB板圖，模型如圖3。由于PCB版圖的Momentum仿真,無法對濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,所以采用將PCB版圖生成元器件,在電路圖中調(diào)用,進(jìn)行PCB版圖和電路圖聯(lián)合仿真和優(yōu)化[7]。在原理圖中設(shè)置優(yōu)化控制和目標(biāo),借助原理圖的優(yōu)化功能使PCB版圖達(dá)到最優(yōu)。原理如圖4所示。

圖3　layout窗口的天線模型

圖4　聯(lián)合仿真和優(yōu)化原理

通過仿真得到了該天線的最終S11以及阻抗的仿真結(jié)果,如圖5所示。

圖5　天線S11仿真結(jié)果

由圖5可知,該天線的仿真結(jié)果比較理想。首先,從S11參數(shù)仿真曲線中能看出,工作頻率處其最大值都是小于-35dB。其次,從S11參數(shù)仿真史密斯原圖中能看出,在中心頻率處,阻抗約為49.481+j0.423Ω, 能夠滿足設(shè)計要求。

3　測試結(jié)果

通過模型的建立,優(yōu)化仿真成功后,用AltiumDesigner軟件繪制PCB版圖并進(jìn)行實物加工。測試實物如圖6a。利用MFJ-269型射頻分析儀測試該待測濾波器的S參數(shù)特性[8-9]。測試結(jié)果如圖6b所示。

圖6　測試實物與結(jié)果

由圖6b可知,在中心頻率13.56MHz處,阻抗50+j4Ω,駐波比為1,測試結(jié)果比較理想。設(shè)計的天線尺寸為30mm×20mm,達(dá)到了小型化的目的。

4　結(jié)束語

閱讀器天線設(shè)計借助ADS仿真軟件聯(lián)合優(yōu)化,得到很好的理論值,體現(xiàn)出ADS仿真軟件強大的仿真和建模功能,進(jìn)而縮短了設(shè)計周期。

通過實物進(jìn)行測試及對實物的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,閱讀器天線符合設(shè)計要求?；緷M足設(shè)計目標(biāo)所要求的參數(shù)值。同時實現(xiàn)了設(shè)計之初小型化的目標(biāo),與傳統(tǒng)閱讀器天線相比,尺寸縮小30%～50%,小型化,柔韌性效果顯著?；夭〒p耗低于-35dB,天線匹配效果良好。該天線在便攜式RFID閱讀器中具有廣闊前景。

[1]尹應(yīng)增. 微波射頻識別技術(shù)研究[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué), 2002.

[2]周曉光, 王曉華, 王偉. 射頻識別(RFID)系統(tǒng)設(shè)計、仿真與應(yīng)用[M]. 北京： 人民郵電出版社, 2008.

[3]胡洪洲. RFID工作頻率指南和典型應(yīng)用[J]. 德州儀器半導(dǎo)體技術(shù), 2009, 24(2):143-146.

[4]楊兵. RFID閱讀器天線分析與設(shè)計[D]. 成都： 西南交通大學(xué), 2009.

[5]慈新新, 王蘇濱, 王碩. 無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

[6]李寶山, 張慧元, 侯宇. 13.56MHzRFID讀卡器天線的設(shè)計[J]. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報, 2009， 28(4)： 334-336.

[7]馮新宇, 車向前, 穆秀英. ADS射頻電路設(shè)計與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.

(編輯徐巖)

RFID reader antenna design and implementation based on ADS

BIANLi,LIYanqing,YANGChangcheng,ZHANGYushi

(School of Electrical & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at realizing the portable and practical reader antenna, this paper features a design of RFID reader antenna based on RF chip RC500 / RC52X.The design is performed by combining traditional design method with advanced circuit simulation software (ADS), fully utilizing schematic diagram and momentum simulation of ADS software and using the flexible circuit board (FPC). Machining simulation and physical prototype test show that the indicators meet the design requirements. The reader antenna which boasts a 30%～50% smaller size than traditional one, and the return loss of less than -35 dB at working frequency, allows the reader antenna to be miniaturized and more flexible with the input impedance 50 and promises a greater application.

RFID; reader antenna; miniaturization; ADS simulation

2013-05-26

黑龍江省青年科學(xué)基金項目(QC2010023)，黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃項目(1251G055)

邊莉(1978-),女,河北省涿州人,副教授,博士,研究方向：人工智能、陣列信號處理,E-mail:branran@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.008

TN821

1671-0118(2013)04-0350-03

A