電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線阻抗調(diào)試分析

楊躍勝，武岳山,2

（1.深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127）

電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線阻抗調(diào)試分析

楊躍勝1，武岳山1,2

（1.深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127）

結(jié)合電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線模型，在理論上分析了該類型天線阻抗實(shí)部和虛部的調(diào)節(jié)方法，同時(shí)依據(jù)終端短路的射頻傳輸線理論，分析了電感耦合環(huán)的近似長(zhǎng)度值，利用HFSS仿真軟件對(duì)天線模型進(jìn)行仿真測(cè)試，使該天線阻抗調(diào)試?yán)碚摲椒ǖ玫匠浞烛?yàn)證。結(jié)合I2C芯片主從測(cè)試多天線PCB板的需求，設(shè)計(jì)了一款寬頻帶電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，任意一個(gè)標(biāo)簽讀取距離超過(guò)2 m，滿足I2C芯片主從測(cè)試的需求。

電感耦合 耦合饋電 偶極子 阻抗 電子標(biāo)簽

1 引言

RFID（Radio Frequency Identification）系統(tǒng)作為一種擁有巨大應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)線識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)天線的設(shè)計(jì)提出了諸多要求。除天線的尺寸大小、帶寬特性、方向圖特性和應(yīng)用環(huán)境等，天線設(shè)計(jì)最關(guān)心天線和芯片之間的阻抗匹配和諧振頻率。天線是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和調(diào)試天線時(shí)也經(jīng)常遇到阻抗匹配困難的問題，文獻(xiàn)[1]采用寄生單元調(diào)整天線阻抗和諧振頻率，文獻(xiàn)[2]提出在偶極子開槽和感性耦合形成雙頻帶，進(jìn)而展寬頻帶，兩者均可以在一定程度上展寬天線頻帶，但是阻抗調(diào)試較為困難。本文采用電感耦合饋電的UHF（Ultra High Frequency）頻段偶極子標(biāo)簽天線，進(jìn)行阻抗參數(shù)調(diào)試，對(duì)電感耦合饋電的偶極子標(biāo)簽天線的阻抗調(diào)節(jié)方法進(jìn)行說(shuō)明，并結(jié)合應(yīng)用案例，完成寬頻帶標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)調(diào)試，測(cè)試結(jié)果表明最終性能完全滿足標(biāo)簽應(yīng)用需求。

2 天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

電感耦合饋電的UHF頻段RFID偶極子天線采用電磁耦合饋電結(jié)構(gòu)，該天線一般的形式包括一個(gè)獨(dú)立的輻射主體和一個(gè)饋電環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 電感耦合饋電天線的一般形式結(jié)構(gòu)圖

天線的輻射體一般形式通常為一段具有一定寬度的獨(dú)立的輻射貼片，其具體形式多種多樣，芯片貼在饋電環(huán)之間，饋電環(huán)和輻射貼片之間的耦合強(qiáng)度主要受兩個(gè)方面因素的影響：其一，天線輻射體和矩形饋電環(huán)之間的間隙d影響耦合強(qiáng)度值，間隙越小，耦合強(qiáng)度越強(qiáng)，相反間隙越寬，耦合強(qiáng)度越弱；其二，饋電環(huán)的尺寸大小亦影響兩者之間的耦合強(qiáng)度。耦合強(qiáng)度的大小對(duì)天線性能的影響可以由天線的輸入阻抗來(lái)反映和分析。

2.1 電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線模型分析

電感耦合饋電的偶極子天線一般形式可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的耦合模型來(lái)分析，如圖2所示：

圖2 電感耦合饋電的偶極子天線一般形式等效電路模型

基于圖2所示的天線等效電路模型可知，從天線饋電口看進(jìn)去的輸入阻抗為：

式(1)中，M表示天線輻射體和饋電環(huán)之間的互感，表征兩者之間的耦合強(qiáng)度；Zloop表示饋電環(huán)自身的阻抗值，其值取決于饋電環(huán)本身的電感值Lloop，可以表示為：

ZA為去掉饋電環(huán)之后，天線輻射體自身所呈現(xiàn)的阻抗值，其值由輻射體自身電阻RA、電容C及電感LA構(gòu)成。在其諧振頻率f0附近時(shí)，ZA可以由天線的諧振頻率附近的輻射電阻Rr及與頻率f有關(guān)的品質(zhì)因數(shù)Q表征：

由式(1)、式(2)、式(3)可得到電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線輸入阻抗實(shí)部和虛部理論計(jì)算公式：

當(dāng)天線工作在諧振頻率f0時(shí)，即f=f0，天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部整理后則變?yōu)椋?/p>

從天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部的表達(dá)式可以看出：天線輸入阻抗的實(shí)部受到天線輻射體與饋電環(huán)之間的耦合系數(shù)及天線輻射體自身的輻射電阻控制，而天線輸入阻抗虛部則取決于饋電環(huán)本身電感值的大小，因此，天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部獨(dú)立可控。

電感耦合饋電的RFID偶極子標(biāo)簽天線的阻抗實(shí)部虛部獨(dú)立調(diào)節(jié)，提供了調(diào)試天線阻抗的一種簡(jiǎn)單而有效的思路：首先選擇尺寸適當(dāng)?shù)酿侂姯h(huán)，抵消芯片阻抗的虛部，然后調(diào)節(jié)饋電環(huán)與天線輻射體之間的間隙，以獲得合適的實(shí)部，最終實(shí)現(xiàn)天線與芯片阻抗共軛匹配。

2.2 電感耦合饋電環(huán)長(zhǎng)度分析

從圖1可以看出，單獨(dú)的饋電環(huán)可以看做是一個(gè)終端短路的傳輸線，饋電環(huán)的半周長(zhǎng)類似傳輸線的長(zhǎng)度，饋電環(huán)的饋點(diǎn)處為傳輸線的饋點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，終端短路的傳輸線特性阻抗為：

式(8)中，z為距離傳輸線短路終端的距離，由于需要了解芯片饋電點(diǎn)處的天線阻抗值，因此z可以理解為饋電環(huán)的半周長(zhǎng)近似值。Z0為饋電環(huán)所在傳輸線的特性阻抗值，由饋電環(huán)的饋線寬度及天線材料確定，特性阻抗Z0為一特定值。Zin(z)是長(zhǎng)度為z的傳輸線的特性阻抗，近似為饋電環(huán)饋電點(diǎn)所在處的阻抗值，即天線的阻抗值。

終端短路傳輸線的輸入阻抗特性隨位置而改變，當(dāng)0＜z＜λ/4時(shí)，輸入阻抗為電感，饋電環(huán)半周長(zhǎng)從0增加到λ/4時(shí)，其電感逐漸增加；當(dāng)z=λ/4時(shí)，輸入阻抗為無(wú)窮大，當(dāng)λ/4＜z＜λ/2時(shí)，輸入阻抗為電容，饋電環(huán)半周長(zhǎng)從λ/4逐漸增加到λ/2時(shí)，其電容的絕對(duì)值從無(wú)窮大逐漸減小到0；終端短路傳輸線的阻抗特性每過(guò)λ/4變換一次，終端短路傳輸線的特性阻抗每過(guò)λ/2重復(fù)一次；由于芯片的阻抗為容性，因此天線設(shè)計(jì)的阻抗必須為感性，類比可知饋電環(huán)半周長(zhǎng)長(zhǎng)度不能超過(guò)λ/4的長(zhǎng)度。

2.3 電感耦合饋電的偶極子標(biāo)簽天線通用形式

圖3為電感耦合RFID標(biāo)簽天線通用形式示意圖[6]，從圖3可以看出耦合系數(shù)M的大小不再依賴輻射體和饋電環(huán)的距離控制，而是直接將輻射體的兩極連接在電感饋電環(huán)上，通過(guò)輻射體兩極連接到饋電環(huán)上的不同位置，從而改變耦合系數(shù)M，進(jìn)而影響天線的阻抗實(shí)部和虛部[7]。

耦合強(qiáng)度M的大小也影響天線的帶寬，當(dāng)耦合強(qiáng)度M較大時(shí)，即采用過(guò)耦合型標(biāo)簽，標(biāo)簽天線的帶寬較寬；當(dāng)耦合強(qiáng)度M較小時(shí)，即采用欠耦合型標(biāo)簽設(shè)計(jì)形式時(shí)，天線的帶寬較窄，但是天線的方向性更強(qiáng)；折中的方法即平衡耦合方式，該方法可以獲得較寬的帶寬，也可以獲得較強(qiáng)的方向性。另外，為了節(jié)省天線的尺寸，通常采用彎折線設(shè)計(jì)輻射體，與電感饋電偶極子標(biāo)簽天線的一般形式相比，引入彎折線之后，輻射體上的每個(gè)彎折處引入了電抗，會(huì)影響天線的整體電抗值，使用時(shí)需要靈活調(diào)節(jié)天線輻射體彎折處寬度，改變天線的電抗值。

圖3 電感耦合偶極子標(biāo)簽天線通用模式示意圖

3 天線仿真分析

天線的介質(zhì)板采用厚度為0.8 mm，相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板?；逅筱~厚度為0.03 mm，采用圖1所示的電感耦合饋電一般形式進(jìn)行分析，表1和表2為天線在920 MHz頻點(diǎn)，天線仿真阻抗值。

表1 輻射體和饋電環(huán)的間距d對(duì)阻抗的影響

從表1可知，饋電環(huán)尺寸不變，僅僅改變饋電環(huán)和輻射體的間距d，當(dāng)d逐漸增加的時(shí)候，天線阻抗的虛部變化不明顯，天線阻抗實(shí)部逐漸減小，與設(shè)計(jì)原理分析相同。

當(dāng)輻射體與饋電環(huán)的尺寸d=2 mm不變時(shí)，饋電環(huán)的高度不變，改變饋電環(huán)的寬度w，天線阻抗參數(shù)變化如表2所示：

表2 饋電環(huán)尺寸對(duì)阻抗的影響

從表2可知，當(dāng)改變饋電環(huán)的寬度時(shí)，天線阻抗虛部隨著饋電環(huán)尺寸的增加而逐漸增大。而由于饋電環(huán)的寬度增加，使得輻射體和饋電環(huán)的耦合系數(shù)增大，天線的實(shí)部也逐漸增大，仿真測(cè)試效果同等效模型理論分析相同。

4 電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)

為了滿足I2C芯片主從測(cè)試板需求，設(shè)計(jì)了一款PCB（Printed Circuit Board）板載天線，PCB厚度為0.8 mm，F(xiàn)R4材料，芯片的阻抗在915 MHz的參考值為12.5-j158。芯片采用電感耦合饋電環(huán)進(jìn)行饋電，為了減小PCB板的面積，輻射體采用彎折天線形式，天線結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，具體尺寸如表3所示。

圖4 I2C芯片主從測(cè)試板載天線平面示意圖

表3 天線尺寸表 mm

圖5 天線仿真阻抗曲線

圖6 天線仿真回波損耗及諧振頻率曲線

圖5所示為天線仿真的阻抗曲線，在840 MHz—960 MHz頻段內(nèi)，天線的阻抗虛部變化范圍為140～173，在諧振頻率915 MHz，天線阻抗虛部為158，滿足芯片寬頻帶范圍內(nèi)阻抗共軛的要求。芯片的實(shí)部較小，依據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)簽天線的虛部共軛對(duì)天線性能的影響較為明顯，因此，該天線阻抗?jié)M足實(shí)用要求。

圖6所示天線回波損耗及諧振頻率曲線，從圖6可知，天線諧振在915 MHz，相對(duì)帶寬為67%，頻率在615 MHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了回波損耗低于-10 dB，達(dá)到了良好的效果。

為了適應(yīng)I2C主從測(cè)試，單個(gè)PCB板上同時(shí)設(shè)計(jì)8套同樣的天線，PCB板大小為155 mm×74 mm，為了對(duì)天線進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)，在天線的輻射體末端加入了多個(gè)方形pad，調(diào)整天線諧振頻率，圖7為I2C主從測(cè)試多天線PCB。

圖7 I2C主從測(cè)試多天線PCB板

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，在915 MHz，標(biāo)簽天線靈敏度低于-8 dBm，該P(yáng)CB板在8個(gè)天線同時(shí)工作的條件下，可以任意對(duì)某個(gè)標(biāo)簽做無(wú)線讀寫測(cè)試，使用遠(yuǎn)望谷807讀寫器，功率24 dBm，在915 MHz頻點(diǎn)，讀寫距離超過(guò)2 m，滿足測(cè)試要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于RFID應(yīng)用環(huán)境差異，涉及的標(biāo)簽樣式千變?nèi)f化，同時(shí)RFID標(biāo)簽天線技術(shù)逐漸向低成本、全向性、小型化甚至一體化的方向發(fā)展，在具體應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)施中，標(biāo)簽天線快速調(diào)試和性能實(shí)現(xiàn)非常重要。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)標(biāo)簽大小和性能要求等參數(shù)，采用天線輻射體和饋電環(huán)連接耦合，依據(jù)連接的位置不同，實(shí)現(xiàn)不同的阻抗值，實(shí)現(xiàn)快速阻抗匹配，充分發(fā)揮天線的最佳性能，此類天線引入了一些電抗，但主要設(shè)計(jì)方向同一般形式的耦合天線相同。

電感耦合饋電的偶極子標(biāo)簽天線及其變形天線是RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的主流，該天線的一般形式存在阻抗虛部和實(shí)部可進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)的方法，這對(duì)此類標(biāo)簽天線仿真和調(diào)試有非常重要的作用。

[1]Kim T H, Park D C. CPW-fed compact monopole antenna for dual-band WLAN applications[J]. Electronics Letters,2005,41(6): 291-293.

[2]Shavit R, Tzur Y, Spirtus D. Design of a new dualfrequency and dual-polarization microstrip element[J].IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation,2003,51(7): 1443-1451.

[3]柏科文. 射頻識(shí)別標(biāo)簽天線研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2009.

[4]黃玉蘭. 射頻電路理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008.

[5]Klaus Finkenzeller. 射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[M]. 陳大才,譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2001.

[6]楊躍勝,武岳山,熊立志,等. 一種UHF無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片阻抗測(cè)試方法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2011,37(4):61-63.

[7]鄧曉鶯,汪勇,何業(yè)軍. 無(wú)源RFID電子標(biāo)簽天線理論與工程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2016.

[8]汪建業(yè). 耦合饋電微帶天線分析與設(shè)計(jì)[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2012.

[9]John D Kraus, Ronald J Marhefka. Antennas: For ALL Applications[M]. 3rd. 章文勛,譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[10]章偉,甘泉. UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

Debugging Analysis on Impedance of Inductance Coupled Feeding Dipole Tag Antenna

YANG Yuesheng1, WU Yueshan1,2
(1. Invengo Information Technology Co., Ltd., Shenzhen 518057, China;2. School of Information Science amp; Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China)

In the light of the model of inductance coupled deeding dipole tag antenna, the adjustment method of the real part and imaginary part of this type of antenna impedance was analyzed. Based on the RF transmission line theory of terminal short circuit, the approximate length of inductance coupled loop was investigated. The antenna model was simulated and tested by means of HFSS software to sufficiently validate the impedance debugging theory and method of the antenna. According to the requirement of master-slave testing multi-antenna PCB of I2C chip,a broadband inductance coupled feeding dipole tag antenna was designed. The practical tests demonstrate that the reading distance of all of tags exceeds 2 m to meet the requirement of master-slave testing of I2C chip.

inductance coupling coupled feeding dipole impedance e-tag

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.014

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0080-05

楊躍勝,武岳山. 電感耦合饋電偶極子標(biāo)簽天線阻抗調(diào)試分析[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(18): 80-84.

2017-07-20

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

楊躍勝：碩士畢業(yè)于西北大學(xué)，現(xiàn)任職于深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司芯片研發(fā)中心，主要研究方向?yàn)樯漕l識(shí)別技術(shù)。

武岳山：西北大學(xué)副教授，現(xiàn)任深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，主要研究方向?yàn)樯漕l識(shí)別、EDA、電子技術(shù)。