基于ADS的RFID阅读器天线设计与实现

边　莉,　李彦卿,　杨长城,　张玉石

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院, 哈尔滨 150022)



基于ADS的RFID阅读器天线设计与实现

边莉,李彦卿,杨长城,张玉石

(黑龙江科技大学 电子与信息工程学院, 哈尔滨 150022)

为实现阅读器天线的便携式和实用性,将传统的设计方法与先进的电路仿真软件(ADS)相结合,利用ADS软件原理图与Momentum联合仿真,使用柔性电路板(FPC),设计一款基于RC500/RC52X射频芯片的RFID阅读器天线。实物样机的仿真与测试结果表明:该阅读器天线各项指标均符合设计要求；与传统阅读器天线相比,其尺寸缩小了30%～50%,在工作频率处回波损耗小于-35 dB,输入阻抗50 Ω适应当前阅读器天线小型化、柔性化的发展趋势。

RFID; 阅读器天线; 小型化; ADS仿真

0　引　言

阅读器天线是RFID系统当中极为重要的组成部分[1]。随着RFID技术的广泛应用,特别是电子产品普遍趋向便携式、实用性,更要求其具有小型化的特点[2]。例如工作频段为13.56 MHz,主要应用于货物贮存标记、物联网的终端实体等,在这种些特殊条件下,传统的阅读器天线难以应用到对尺寸以及柔韧性要求较高的系统设计中。笔者根据阅读器天线的磁场耦合工作原理,借助具有精确仿真能力的ADS,进行原理图与版图的联合仿真,并加工实物样机进行测试。该天线的工作频率为13.56 MHz,在工作频率处回波损耗小于-35 dB,阻抗50 Ω使用柔性电路板(FPC)。

1　天线尺寸及匹配电路

设计阅读器天线通常应该考虑天线尺寸、匹配电路的品质因子Q和阅读器周围环境的影响三个因素[3]。

1.1天线尺寸

常见的阅读器天线有环形和矩形两种[4]文中阅读器天线采用矩形,该天线距中心垂直距离X处的磁通量密度,由式(1)算出[5]:

(1)

式(1)中,B为磁感应强度,T;μ0=4π×10-7H/m;N为天线线圈的匝数;I为线圈中电流强度。由式(1)可知磁感应强度B与距离X成反比,即磁场强度随着距离X的变远而减弱。

天线线圈的电感可用式(2)估算:

(2)

式(2)中,L为天线电感估计值,nH;l1为一圈天线导线环的长度,cm;D1为PCB线圈导线的宽度;若线圈为环形,则K=1.07,若线圈为矩形,则K=1.47;N为线圈匝数。

从式(1)和(2)可见,增加线圈的匝数N可增大线圈的磁感应强度B,使得线圈的有效工作距离增大。天线线圈电感L与线圈匝数N的1.8次方成正比,增加匝数N会使线圈的电感L增大。常用天线的电感L不宜过大,一般小于5 μH,否则阻抗匹配较难实现。

综合上述考虑及电路加工工艺要求,文中设计的矩形阅读器天线的几何图形如图1所示。具体参数为:a=30 mm,b=20 mm,w=0.5 mm,s=0.5 mm,N=6,t=0.035 mm。

图1　天线的几何尺寸

1.2天线匹配电路

为使天线正常工作,需要设计合理的匹配电路,从而使得天线本身有较低的阻抗进行变换。匹配电路如图2a所示。根据电路的对称性原理,将电路进行简化,如图2b所示[6]。

图2　天线匹配电路

匹配电路中的C1a、C1b、C2a、C2b和Re可通过式(3)～(5)计算得到。

(3)

(4)

(5)

最后,估算的电容值为C1a=30 pF,C2a=85 pF,电阻值为R=2 Ω。

2　模型建立及优化仿真

根据第1节中确定的滤波器结构,在ADS的layout窗口中进行绘制PCB板图，模型如图3。由于PCB版图的Momentum仿真,无法对滤波器结构参数进行优化,所以采用将PCB版图生成元器件,在电路图中调用,进行PCB版图和电路图联合仿真和优化[7]。在原理图中设置优化控制和目标,借助原理图的优化功能使PCB版图达到最优。原理如图4所示。

图3　layout窗口的天线模型

图4　联合仿真和优化原理

通过仿真得到了该天线的最终S11以及阻抗的仿真结果,如图5所示。

图5　天线S11仿真结果

由图5可知,该天线的仿真结果比较理想。首先,从S11参数仿真曲线中能看出,工作频率处其最大值都是小于-35dB。其次,从S11参数仿真史密斯原图中能看出,在中心频率处,阻抗约为49.481+j0.423Ω, 能够满足设计要求。

3　测试结果

通过模型的建立,优化仿真成功后,用AltiumDesigner软件绘制PCB版图并进行实物加工。测试实物如图6a。利用MFJ-269型射频分析仪测试该待测滤波器的S参数特性[8-9]。测试结果如图6b所示。

图6　测试实物与结果

由图6b可知,在中心频率13.56MHz处,阻抗50+j4Ω,驻波比为1,测试结果比较理想。设计的天线尺寸为30mm×20mm,达到了小型化的目的。

4　结束语

阅读器天线设计借助ADS仿真软件联合优化,得到很好的理论值,体现出ADS仿真软件强大的仿真和建模功能,进而缩短了设计周期。

通过实物进行测试及对实物的测试数据进行分析,阅读器天线符合设计要求。基本满足设计目标所要求的参数值。同时实现了设计之初小型化的目标,与传统阅读器天线相比,尺寸缩小30%～50%,小型化,柔韧性效果显著。回波损耗低于-35dB,天线匹配效果良好。该天线在便携式RFID阅读器中具有广阔前景。

[1]尹应增. 微波射频识别技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学, 2002.

[2]周晓光, 王晓华, 王伟. 射频识别(RFID)系统设计、仿真与应用[M]. 北京： 人民邮电出版社, 2008.

[3]胡洪洲. RFID工作频率指南和典型应用[J]. 德州仪器半导体技术, 2009, 24(2):143-146.

[4]杨兵. RFID阅读器天线分析与设计[D]. 成都： 西南交通大学, 2009.

[5]慈新新, 王苏滨, 王硕. 无线射频识别(RFID)系统技术与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

[6]李宝山, 张慧元, 侯宇. 13.56MHzRFID读卡器天线的设计[J]. 内蒙古科技大学学报, 2009， 28(4)： 334-336.

[7]冯新宇, 车向前, 穆秀英. ADS射频电路设计与仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

(编辑徐岩)

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

黑龙江省青年科学基金项目(QC2010023)，黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目(1251G055)

边莉(1978-),女,河北省涿州人,副教授,博士,研究方向：人工智能、阵列信号处理,E-mail:branran@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.008

TN821

1671-0118(2013)04-0350-03

A