一種超小型超高頻段RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

 RFID應(yīng)用越來(lái)越廣泛,市場(chǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,同時(shí)在技術(shù)上的要求也在趨于多樣化個(gè)性化。該文提出了一種超小型433 MHz PCB天線(xiàn),增益為-17 dB,達(dá)到了RFID系統(tǒng)的應(yīng)用要求。該天線(xiàn)半徑為14 mm的半圓區(qū)域,尺寸小,同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)簽小型化和天線(xiàn)性能兩方面的要求。

  有源射頻識(shí)別定位系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種定位場(chǎng)景。針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景下電子標(biāo)簽小型化的需求,在半徑為14 mm的半圓里,應(yīng)用彎折線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽PCB天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì),增益達(dá)到-17 dB?；诩傇娐?天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了433 MHz的諧振特性,且標(biāo)簽天線(xiàn)與標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)了50 Ω的阻抗匹配。

  433 MHz RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

  即射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID),是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),具有成本低、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。有源RFID定位系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各種定位場(chǎng)景。天線(xiàn)是RFID系統(tǒng)的重要組成部分,在眾多場(chǎng)景中均制約著RFID技術(shù)的發(fā)展,所以對(duì)于RFID天線(xiàn)的研究和設(shè)計(jì)十分迫切。當(dāng)前RFID系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在低頻、高頻、超高頻和微波頻段,且在這些頻段上的天線(xiàn)設(shè)計(jì)研究有較大不同。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用超高頻段進(jìn)行通信,目前在UHF頻段多采用偶極子及其變形結(jié)構(gòu),如彎折線(xiàn)天線(xiàn)、折合偶極子天線(xiàn)等。文中設(shè)計(jì)了超高頻段433 MHz的標(biāo)簽小型化天線(xiàn),需同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)簽小型化和天線(xiàn)性能兩方面的要求。

  1 標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)思想

  1.1 標(biāo)簽天線(xiàn)輻射增益確定

  天線(xiàn)增益用G來(lái)表示,定義為:在輸入功率相同的條件下,天線(xiàn)在最大輻射方向上某一點(diǎn)的功率通量密度與相點(diǎn)源天線(xiàn)在同一點(diǎn)處的功率通量密度之比。一般RFID系統(tǒng)最大傳輸距離表示為

  433 MHz RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

  標(biāo)簽天線(xiàn)發(fā)射信號(hào),讀寫(xiě)器天線(xiàn)接收信號(hào)。對(duì)應(yīng)式(1)中,Pth為讀寫(xiě)器射頻芯片規(guī)定的天線(xiàn)最小接收功率,-110 dBm·W;Pt為標(biāo)簽射頻電路芯片規(guī)定的天線(xiàn)發(fā)射功率,可調(diào),-20~3 dBm·W;Gt為要設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線(xiàn)增益;GT為已有讀寫(xiě)器天線(xiàn)增益,3 dBi;λ為工作波長(zhǎng);r為標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間工作距離設(shè)計(jì)目標(biāo),50 m;工作頻率為433MHz。RFID系統(tǒng)中讀寫(xiě)器天線(xiàn)為圓極化天線(xiàn),標(biāo)簽天線(xiàn)為線(xiàn)極化天線(xiàn),二者會(huì)產(chǎn)生3 dB的極化失配損失。根據(jù)計(jì)算公式和實(shí)際場(chǎng)景綜合考慮,最后確定標(biāo)簽天線(xiàn)增益為-19 dB,可滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

  1.2 標(biāo)簽天線(xiàn)阻抗匹配

  標(biāo)簽天線(xiàn)面積設(shè)計(jì)目標(biāo)是半徑為14 mm的半圓區(qū)域。433 MHz的標(biāo)簽天線(xiàn)由于波長(zhǎng)較長(zhǎng),所以在規(guī)定的面積內(nèi)采用彎折線(xiàn)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。彎折線(xiàn)天線(xiàn)中彎折次數(shù)、彎折角、彎折高度以及彎折線(xiàn)寬均在較大程度上影響了天線(xiàn)的諧振特性。在不改變天線(xiàn)外形尺寸的條件下,隨著彎折次數(shù)的增加,彎折線(xiàn)天線(xiàn)的諧振頻率、諧振阻抗下降,但是下降的趨勢(shì)漸緩,之后當(dāng)繼續(xù)增加彎折次數(shù)時(shí),天線(xiàn)的諧振頻率基本不變。同樣在天線(xiàn)外尺寸不變的條件下,改變彎折高度和彎折角,得到的結(jié)果類(lèi)似,均為開(kāi)始時(shí)隨著彎折高度和彎折角的增加,天線(xiàn)諧振頻率和阻抗明顯下降,之后趨勢(shì)漸緩,最后基本不變。鑒于天線(xiàn)面積較小,在有限的區(qū)域內(nèi)使用彎折線(xiàn)結(jié)構(gòu)無(wú)法達(dá)到433 MHz的諧振頻率,所以設(shè)計(jì)時(shí)需要增加相應(yīng)的匹配電路進(jìn)行調(diào)諧。

  此外,電子標(biāo)簽電路板設(shè)計(jì)中射頻電路與饋線(xiàn)、饋線(xiàn)與天線(xiàn)之間的阻抗要達(dá)到共軛匹配,天線(xiàn)才能獲得最大的功率傳輸,輻射最大的能量。當(dāng)射頻電路與天線(xiàn)阻抗失配時(shí),射頻電路的能量將不能全部由天線(xiàn)輻射發(fā)出,而且這部分的能量會(huì)反射回射頻電路,產(chǎn)生駐波,對(duì)電路產(chǎn)生較大損害。所以為了使信號(hào)和能量有效傳輸,必須使電路工作在阻抗匹配狀態(tài),即與天線(xiàn)連接的芯片阻抗必須和天線(xiàn)阻抗共軛匹配。將芯片阻抗調(diào)至50 Ω,天線(xiàn)的輸入阻抗調(diào)為50 Ω,從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

  2 標(biāo)簽天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  電子標(biāo)簽采用FR4-環(huán)氧樹(shù)脂電路介質(zhì)基板(FR4_expoy)厚度為0.8 mm;介電常數(shù)為4.4;線(xiàn)寬為0.5 mm。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間繞制,得到天線(xiàn)幾何形狀如圖1所示。

  該結(jié)構(gòu)充分利用了電子標(biāo)簽形狀,天線(xiàn)的增益如圖2所示。

  由圖2可知,天線(xiàn)增益為-15.7 dB,全向輻射。天線(xiàn)上的電流分布如圖3所示。

  圖3 天線(xiàn)面電流密度

  天線(xiàn)諧振圖像如圖4所示。

  圖4中,天線(xiàn)確如分析,并沒(méi)有在433 MHz出現(xiàn)諧振,需要增加相應(yīng)的匹配電路。

  3 射頻電路的阻抗匹配

  在天線(xiàn)433 MHz處諧振,需相應(yīng)地匹配電路調(diào)諧。這里采用Smith圓圖進(jìn)行調(diào)諧和阻抗匹配,首先要已知該結(jié)構(gòu)天線(xiàn)在433 MHz處的阻抗值。從HFSS仿真結(jié)果中可查到該天線(xiàn)在各個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗,如圖5所示。

  圖5 天線(xiàn)在400~460MHz的阻抗

  圖5中方框部分為433 MHz頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻抗值,Zt=2.832 004-i222.484 839,天線(xiàn)實(shí)部較小,呈現(xiàn)容抗性。這里使用ADS進(jìn)行阻抗匹配工作。設(shè)計(jì)原理是天線(xiàn)增加匹配電路后,組成一個(gè)新的電路結(jié)構(gòu),整個(gè)電路在433 MHz處諧振,阻抗達(dá)到50 Ω,從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。ADS原理圖中用集總元件表示天線(xiàn)的阻抗,具體設(shè)計(jì)方法是天線(xiàn)等效為一個(gè)電阻和電容的串聯(lián),設(shè)電阻為R,電容為C

  433 MHz RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

  計(jì)算得到,R=2.832 004 Ω,C=1.65 pF。

  ADS中將集總元器件、Smith Chart Matching圓連接起來(lái)得到仿真電路,具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

  圖6 ADS中天線(xiàn)Smith匹配Smith Chart匹配

  圖6中電路結(jié)構(gòu)經(jīng)Smith Chart匹配,ADS中提供了4種匹配結(jié)構(gòu),如圖7所示。

  圖7 4種匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

  根據(jù)L型匹配電路介紹,設(shè)計(jì)采用右上角先并聯(lián)電感后串聯(lián)電感的方式。將匹配電路與天線(xiàn)串聯(lián)連接后,用ADS仿真得到此時(shí)天線(xiàn)的諧振頻率與帶寬,如圖8所示。

  圖8 天線(xiàn)諧振S11曲線(xiàn)圖

  圖8所示,仿真天線(xiàn)諧振點(diǎn)為433 MHz,天線(xiàn)帶寬為2 MHz具體范圍是432~434 MHz,結(jié)果符合有源RFID系統(tǒng)中通信頻率的設(shè)計(jì)要求。但ADS因存在精度問(wèn)題,會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸入值,所以只采用其提供的匹配電路結(jié)構(gòu)圖,具體的元器件值還需進(jìn)行實(shí)際調(diào)試得到。實(shí)際調(diào)試中用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接同樣的匹配電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試。準(zhǔn)備一塊帶有匹配電路電感位置的天線(xiàn)板。根據(jù)以下步驟調(diào)試匹配電路:(1)啟動(dòng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。(2)將矢量網(wǎng)絡(luò)分析中的同軸傳輸線(xiàn)外導(dǎo)體連接匹配電路中接地端,將內(nèi)導(dǎo)體連接匹配電路饋線(xiàn)端。(3)焊接匹配電路中其中一個(gè)電感,根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析中的Smith圓圖調(diào)節(jié)另一個(gè)電感值,直到諧振頻率為433 MHz時(shí),調(diào)試完成。經(jīng)調(diào)試,確定調(diào)試過(guò)程中L3為30 nH,L2為12 nH。最終結(jié)果如圖9所示。

  圖9 實(shí)際調(diào)試后匹配電路

  實(shí)際調(diào)試中天線(xiàn)的增益為-17 dB,較仿真時(shí)有所減小。當(dāng)天線(xiàn)在433.92 MHz諧振時(shí),天線(xiàn)的帶寬較窄,相比仿真結(jié)果約減小400 kHz。而且匹配電路中電感值發(fā)生較大變化,這是因?yàn)锳DS進(jìn)行Smith圓匹配中默認(rèn)阻抗實(shí)部最小為5.3,而實(shí)際天線(xiàn)的實(shí)部只有2.8,出現(xiàn)了較大誤差。即便如此,文中所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)還能滿(mǎn)足有源RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用要求。實(shí)物如圖10所示。

  圖10 實(shí)物圖

  4 結(jié)束語(yǔ) :本文提出了一種超小型433 MHz PCB天線(xiàn),增益為-17 dB,達(dá)到了RFID系統(tǒng)的應(yīng)用要求。天線(xiàn)半徑為14 mm的半圓區(qū)域,在目前所有的文獻(xiàn)中面積最小。該天線(xiàn)已制作完成,經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試,在匹配了兩個(gè)電感后,諧振頻率達(dá)到433 MHz。該天線(xiàn)尺寸小,是一種性能較好,工程上實(shí)用性強(qiáng)的標(biāo)簽天線(xiàn)。