无线耦合信号传输天线的设计和阻抗匹配

李凯丽，梁 庭，洪应平，杨 芳，秦 丽，熊继军

(中北大学a.仪器科学与动态测试教育部重点实验室;b.电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051)

1 无线耦合传输简介

在一些非接触信号传输场合，如射频识别(Radio Frequency Identity，RFID)技术，利用无线耦合信号传输方式进行非接触双向通信，实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的［1-3］。无线耦合信号传输通过两个电感线圈的互感耦合实现，原理如图1所示［4］。在远距离互感耦合情况下，需要增大信号发射天线端能量，因此需要对信源与发射天线进行阻抗匹配。本文设计了中心频率为7.812 MHz的信号读取天线，并对天线进行阻抗匹配，使信号发生器发射的信号能以最大功率传输到读取天线端。

图1 无线耦合传输原理

2 天线的设计研究

2.1 平面螺旋电感设计

无线耦合信号传输通过天线实现，在此使用由电容与电感组成的LC谐振天线，根据体积面积方面的要求，将天线中电感设计成平面螺旋结构，有正方形、六边形、八边形、圆形等形状［5-6］，如图2 所示。

图2 平面螺旋电感结构示意图

通过式(1)可以计算出平面螺旋的电感值，其中电感 的内径、外径、线宽、线间距等因素都会影响电感值的大小［7-8］，在设计时需要对这些影响因素进行综合考虑。

电感计算公式为

式中:μ为磁导率，真空磁导率μ0=4π×10-7;n为电感线圈匝数，其他参数如表1所示。

表1 电感计算公式参数

2.2 天线参数设计

对LC谐振天线进行阻抗匹配，天线由100 pF的电容与4 μH的平面螺旋电感组成，谐振频率为

天线谐振频率的理论值为7.94 MHz，示波器测试天线谐振频率为7.812 MHz，测试结果如图3所示。其中4 μH的平面圆形螺旋电感采用环氧树脂基底，结构参数为n=10，din=21 mm，dout=40 mm，w=0.5 mm，s=0.5 mm。根据式(1)计算电感理论值为3.995 μH，使用Aglient公司的4284A(LCR表)仪器测量的电感值为3.995 μH，实际测量与理论计算基本吻合，说明式(1)是合理的。

图3 示波器测试天线谐振频率(截图)

3 天线阻抗匹配设计

3.1 阻抗匹配原理

阻抗匹配有两种形式，一种是负载阻抗等于信源内阻抗，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输;另一种是负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，这时在负载阻抗上可以得到最大功率［9］。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件等同。常见的阻抗匹配网络有L形、π形、Γ形［10-11］。为了保证信号发生器发射的信号能以最大功率传输到天线端，天线与信号的发射端须达到阻抗匹配，在此建立L形阻抗匹配网络来实现信号的最大功率传输，如图4所示。

图4 L形阻抗匹配示意图

图4中，Zin的表达式为

在无线耦合信号传输中，当天线与远端测试谐振器互感耦合时，通过天线端信号变化测得远端测试谐振器的谐振频率。远端测试谐振器发生变化时，在阻抗匹配前，互感耦合的信号比较微弱，容易受到震动、温度、外界电磁等噪声的影响，造成近端测试误差大或无法测量的问题，阻抗匹配后，互感耦合的能量增大，非接触式测试系统中的测量信号较匹配前稳定，不易受外界噪声干扰。

3.2 天线阻抗匹配过程

首先对电感为4 μH、中心频率为7.812 MHz的天线进行阻抗匹配设计，然后对设计的阻抗匹配进行ADS软件仿真，天线谐振频率为7.812 MHz时，天线端阻抗ZL=1.7 Ω，为使天线端与信源特性阻抗50 Ω达到匹配，在天线端首先串联184.6 nH的电感，再并联2.17 nF的电容，天线端匹配后S=49.99+j×0.25 Ω，阻抗匹配示意图如图5所示，ADS仿真结果如图6所示。

图5 天线阻抗匹配示意图

4 天线阻抗匹配测试

根据ADS软件阻抗匹配结果，搭建阻抗匹配电路，从天线端串联180 nH的电感，再并联2.2 nF的电容，匹配电容两端接RIGOL DG3061A信号发生器，天线两端接RIGOL DS6064示波器，如图7所示。

图6 ADS仿真结果图

图7 天线阻抗匹配电路

信号发生器首先发射扫频范围为1～50 MHz、扫频时间1 ms、Vpp为5.0 V的扫频信号，电路中只有谐振天线时，使用示波器测试谐振天线端电压情况，天线阻抗未匹配时，谐振信号峰峰值电压17.0 V，阻抗匹配后，谐振信号峰峰值电压22.7 V，如图8所示。可以看出阻抗匹配后电感两端的电压增大且Q值也相应增大，说明阻抗匹配后天线端接收的信号增强，可以更方便准确地判断分析天线谐振信号。

图8 阻抗匹配前后天线端电压(截图)

信号发生器发射定频信号，频率为天线谐振频率7.812 MHz，在只有谐振天线的情况下，匹配前测试电感两端电压17.7 V，匹配后测试电压23.4 V;天线与传感器耦合时，匹配前电感两端电压12.5 V，比耦合前17.7 V降低5.2 V，匹配后测得电感两端电压为4.2 V，比耦合前23.4 V降低19.2 V，测试电压如表2所示。阻抗匹配后谐振信号明显增大，可以更加方便地判断分析传感器的谐振信号。

表2 阻抗匹配前后天线端测试电压

5 结论

在无线耦合信号传输过程中，为了保证信号能以最大功率传输到天线上，对传输天线进行阻抗匹配，并对阻抗匹配结果进行ADS仿真，搭建阻抗匹配电路，通过测试传输天线端信号来判断谐振情况，实验证明阻抗匹配后天线端电压幅值与Q值明显增大，可以更加方便地检测谐振信号。

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