电感耦合馈电偶极子标签天线阻抗调试分析

2017-12-01杨跃胜武岳山

移动通信 2017年18期

关键词：输入阻抗虚部实部

杨跃胜，武岳山,2

（1.深圳市远望谷信息技术股份有限公司，广东深圳 518057；2.西北大学信息科学与技术学院，陕西西安 710127）

电感耦合馈电偶极子标签天线阻抗调试分析

杨跃胜1，武岳山1,2

（1.深圳市远望谷信息技术股份有限公司，广东深圳 518057；2.西北大学信息科学与技术学院，陕西西安 710127）

结合电感耦合馈电偶极子标签天线模型，在理论上分析了该类型天线阻抗实部和虚部的调节方法，同时依据终端短路的射频传输线理论，分析了电感耦合环的近似长度值，利用HFSS仿真软件对天线模型进行仿真测试，使该天线阻抗调试理论方法得到充分验证。结合I2C芯片主从测试多天线PCB板的需求，设计了一款宽频带电感耦合馈电偶极子标签天线，通过实际测试，任意一个标签读取距离超过2 m，满足I2C芯片主从测试的需求。

电感耦合耦合馈电偶极子阻抗电子标签

1 引言

RFID（Radio Frequency Identification）系统作为一种拥有巨大应用前景和发展潜力的无线识别系统，对天线的设计提出了诸多要求。除天线的尺寸大小、带宽特性、方向图特性和应用环境等，天线设计最关心天线和芯片之间的阻抗匹配和谐振频率。天线是一个复杂的系统，设计和调试天线时也经常遇到阻抗匹配困难的问题，文献[1]采用寄生单元调整天线阻抗和谐振频率，文献[2]提出在偶极子开槽和感性耦合形成双频带，进而展宽频带，两者均可以在一定程度上展宽天线频带，但是阻抗调试较为困难。本文采用电感耦合馈电的UHF（Ultra High Frequency）频段偶极子标签天线，进行阻抗参数调试，对电感耦合馈电的偶极子标签天线的阻抗调节方法进行说明，并结合应用案例，完成宽频带标签天线设计调试，测试结果表明最终性能完全满足标签应用需求。

2 天线结构及设计原理

电感耦合馈电的UHF频段RFID偶极子天线采用电磁耦合馈电结构，该天线一般的形式包括一个独立的辐射主体和一个馈电环，其结构如图1所示：

图1 电感耦合馈电天线的一般形式结构图

天线的辐射体一般形式通常为一段具有一定宽度的独立的辐射贴片，其具体形式多种多样，芯片贴在馈电环之间，馈电环和辐射贴片之间的耦合强度主要受两个方面因素的影响：其一，天线辐射体和矩形馈电环之间的间隙d影响耦合强度值，间隙越小，耦合强度越强，相反间隙越宽，耦合强度越弱；其二，馈电环的尺寸大小亦影响两者之间的耦合强度。耦合强度的大小对天线性能的影响可以由天线的输入阻抗来反映和分析。

2.1 电感耦合馈电偶极子标签天线模型分析

电感耦合馈电的偶极子天线一般形式可以通过一个简化的耦合模型来分析，如图2所示：

图2 电感耦合馈电的偶极子天线一般形式等效电路模型

基于图2所示的天线等效电路模型可知，从天线馈电口看进去的输入阻抗为：

式(1)中，M表示天线辐射体和馈电环之间的互感，表征两者之间的耦合强度；Zloop表示馈电环自身的阻抗值，其值取决于馈电环本身的电感值Lloop，可以表示为：

ZA为去掉馈电环之后，天线辐射体自身所呈现的阻抗值，其值由辐射体自身电阻RA、电容C及电感LA构成。在其谐振频率f0附近时，ZA可以由天线的谐振频率附近的辐射电阻Rr及与频率f有关的品质因数Q表征：

由式(1)、式(2)、式(3)可得到电感耦合馈电偶极子标签天线输入阻抗实部和虚部理论计算公式：

当天线工作在谐振频率f0时，即f=f0，天线输入阻抗的实部和虚部整理后则变为：

从天线输入阻抗的实部和虚部的表达式可以看出：天线输入阻抗的实部受到天线辐射体与馈电环之间的耦合系数及天线辐射体自身的辐射电阻控制，而天线输入阻抗虚部则取决于馈电环本身电感值的大小，因此，天线输入阻抗的实部和虚部独立可控。

电感耦合馈电的RFID偶极子标签天线的阻抗实部虚部独立调节，提供了调试天线阻抗的一种简单而有效的思路：首先选择尺寸适当的馈电环，抵消芯片阻抗的虚部，然后调节馈电环与天线辐射体之间的间隙，以获得合适的实部，最终实现天线与芯片阻抗共轭匹配。

2.2 电感耦合馈电环长度分析

从图1可以看出，单独的馈电环可以看做是一个终端短路的传输线，馈电环的半周长类似传输线的长度，馈电环的馈点处为传输线的馈点，根据文献[4]可知，终端短路的传输线特性阻抗为：

式(8)中，z为距离传输线短路终端的距离，由于需要了解芯片馈电点处的天线阻抗值，因此z可以理解为馈电环的半周长近似值。Z0为馈电环所在传输线的特性阻抗值，由馈电环的馈线宽度及天线材料确定，特性阻抗Z0为一特定值。Zin(z)是长度为z的传输线的特性阻抗，近似为馈电环馈电点所在处的阻抗值，即天线的阻抗值。

终端短路传输线的输入阻抗特性随位置而改变，当0＜z＜λ/4时，输入阻抗为电感，馈电环半周长从0增加到λ/4时，其电感逐渐增加；当z=λ/4时，输入阻抗为无穷大，当λ/4＜z＜λ/2时，输入阻抗为电容，馈电环半周长从λ/4逐渐增加到λ/2时，其电容的绝对值从无穷大逐渐减小到0；终端短路传输线的阻抗特性每过λ/4变换一次，终端短路传输线的特性阻抗每过λ/2重复一次；由于芯片的阻抗为容性，因此天线设计的阻抗必须为感性，类比可知馈电环半周长长度不能超过λ/4的长度。

2.3 电感耦合馈电的偶极子标签天线通用形式

图3为电感耦合RFID标签天线通用形式示意图[6]，从图3可以看出耦合系数M的大小不再依赖辐射体和馈电环的距离控制，而是直接将辐射体的两极连接在电感馈电环上，通过辐射体两极连接到馈电环上的不同位置，从而改变耦合系数M，进而影响天线的阻抗实部和虚部[7]。

耦合强度M的大小也影响天线的带宽，当耦合强度M较大时，即采用过耦合型标签，标签天线的带宽较宽；当耦合强度M较小时，即采用欠耦合型标签设计形式时，天线的带宽较窄，但是天线的方向性更强；折中的方法即平衡耦合方式，该方法可以获得较宽的带宽，也可以获得较强的方向性。另外，为了节省天线的尺寸，通常采用弯折线设计辐射体，与电感馈电偶极子标签天线的一般形式相比，引入弯折线之后，辐射体上的每个弯折处引入了电抗，会影响天线的整体电抗值，使用时需要灵活调节天线辐射体弯折处宽度，改变天线的电抗值。

图3 电感耦合偶极子标签天线通用模式示意图

3 天线仿真分析

天线的介质板采用厚度为0.8 mm，相对介电常数为4.4的FR4介质板。基板所敷铜厚度为0.03 mm，采用图1所示的电感耦合馈电一般形式进行分析，表1和表2为天线在920 MHz频点，天线仿真阻抗值。

表1 辐射体和馈电环的间距d对阻抗的影响

从表1可知，馈电环尺寸不变，仅仅改变馈电环和辐射体的间距d，当d逐渐增加的时候，天线阻抗的虚部变化不明显，天线阻抗实部逐渐减小，与设计原理分析相同。

当辐射体与馈电环的尺寸d=2 mm不变时，馈电环的高度不变，改变馈电环的宽度w，天线阻抗参数变化如表2所示：

表2 馈电环尺寸对阻抗的影响

从表2可知，当改变馈电环的宽度时，天线阻抗虚部随着馈电环尺寸的增加而逐渐增大。而由于馈电环的宽度增加，使得辐射体和馈电环的耦合系数增大，天线的实部也逐渐增大，仿真测试效果同等效模型理论分析相同。

4 电感耦合馈电偶极子标签天线设计

为了满足I2C芯片主从测试板需求，设计了一款PCB（Printed Circuit Board）板载天线，PCB厚度为0.8 mm，FR4材料，芯片的阻抗在915 MHz的参考值为12.5-j158。芯片采用电感耦合馈电环进行馈电，为了减小PCB板的面积，辐射体采用弯折天线形式，天线结构图如图4所示，具体尺寸如表3所示。

图4 I2C芯片主从测试板载天线平面示意图

表3 天线尺寸表 mm

图5 天线仿真阻抗曲线

图6 天线仿真回波损耗及谐振频率曲线

图5所示为天线仿真的阻抗曲线，在840 MHz—960 MHz频段内，天线的阻抗虚部变化范围为140～173，在谐振频率915 MHz，天线阻抗虚部为158，满足芯片宽频带范围内阻抗共轭的要求。芯片的实部较小，依据调试经验，标签天线的虚部共轭对天线性能的影响较为明显，因此，该天线阻抗满足实用要求。

图6所示天线回波损耗及谐振频率曲线，从图6可知，天线谐振在915 MHz，相对带宽为67%，频率在615 MHz范围内实现了回波损耗低于-10 dB，达到了良好的效果。

为了适应I2C主从测试，单个PCB板上同时设计8套同样的天线，PCB板大小为155 mm×74 mm，为了对天线进行简单的调节，在天线的辐射体末端加入了多个方形pad，调整天线谐振频率，图7为I2C主从测试多天线PCB。

图7 I2C主从测试多天线PCB板

通过实际测试，在915 MHz，标签天线灵敏度低于-8 dBm，该PCB板在8个天线同时工作的条件下，可以任意对某个标签做无线读写测试，使用远望谷807读写器，功率24 dBm，在915 MHz频点，读写距离超过2 m，满足测试要求。

5 结束语

由于RFID应用环境差异，涉及的标签样式千变万化，同时RFID标签天线技术逐渐向低成本、全向性、小型化甚至一体化的方向发展，在具体应用项目实施中，标签天线快速调试和性能实现非常重要。实际应用时，根据标签大小和性能要求等参数，采用天线辐射体和馈电环连接耦合，依据连接的位置不同，实现不同的阻抗值，实现快速阻抗匹配，充分发挥天线的最佳性能，此类天线引入了一些电抗，但主要设计方向同一般形式的耦合天线相同。

电感耦合馈电的偶极子标签天线及其变形天线是RFID标签天线设计的主流，该天线的一般形式存在阻抗虚部和实部可进行单独调节的方法，这对此类标签天线仿真和调试有非常重要的作用。

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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

1006-1010(2017)18-0080-05

杨跃胜,武岳山. 电感耦合馈电偶极子标签天线阻抗调试分析[J]. 移动通信, 2017,41(18): 80-84.

2017-07-20

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn