基于RFID读写器的2.4 GHz微带天线设计

2018-10-16张微

太原学院学报(自然科学版) 2018年1期

张微

(山西工商学院,山西太原 030006)

随着科技的发展和进步,无线传输系统越来越广泛应用到移动通信、环境检测、卫星导航和生物医学等领域。天线作为无线传输的重要部分,对整个传输系统起到决定性作用。由于微带天线具有重量轻、体积小、成本低和适用组合式设计的优点,所以基于CC2530芯片的RFID读写器采用此设想建立模型。

文章从微带天线的基本原理、微带天线的仿真模型以及微带天线的优化匹配等几方面论述如下:

1 微带天线的结构优选

1.1 微带天线的基本原理

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它采用微带线进行馈电,在导体片和接地板之间激起电磁场,并通过贴片的四周与接地板的缝隙向外进行辐射[1]如图1所示。

1.2 微带天线的形状特征优选

微带天线种类众多,但最具代表性的矩形微带线相比于其他形状的微带线效率高,所以选择矩形微带线。此外,微带传输线馈电制造简单,易于匹配,易于建模,所以选择传输线馈电,结合上诉原理设计出一个利用传输线馈电的矩形微带天线。

1.3 微带天线的性能指标要求

CC2530芯片中的微带天线要求工作在2.4GHz,增益达到3dB以上,反射系数优化到-26dB以下,阻抗需要达到匹配。

图1 微带天线

2 微带天线的仿真模型

2.1 微带天线的材料优选

基板材料的介电常数εr(εr=9.8)和厚度h直接影响着微带天线的性能指标。考虑安装面积的因素,应选εr(εr=9.8)较大的陶瓷基片,其常见的厚度h有0.254 mm 、0.635 mm及1.27 mm。鉴于1.27 mm的基片具有较高的天线效率、较宽的带宽以及较高的增益,因此确定陶瓷基片的厚度h为1.27 mm、介电常数εr为9.8。

2.2 微带天线的参数计算

微带天线模型宽度W的值直接影响着微带天线的输入阻抗、辐射电阻和方向性函数,从而也影响着效率和频带。此外,W的值决定着微带天线的总尺寸。在条件允许的情况下,W取值可以适当调高,这样使得效率更高,阻抗匹配值更高。W的值由(1)可计算得到

(1)

其中,fr为谐振频率,C为光速(3*108m/s),εr为9.8,且

(2)

(3)

矩形微带天线模型的长度L选取波长λg的一半,但考虑到外界的影响,L可由(4)计算得到

(4)

其中,λg通过(5)计算可得,ΔL其实是一个修正项,分别由(3)和(6)共同计算得到

(5)

(6)

ADS软件中带有一个计算机微带线长度和宽度的工具。在仿真原理图中选择[Tools]→[LineCalc]→[Start LineCalc]的命令,弹出“LineCalc”对话框,然后在对话框中计算显示微带线模型的长度和宽度。

如图2所示,由LineCalc软件计算得出50Ω微带线馈线宽度d=1.23 mm。

图2 计算馈线宽度d

因此,由(1)-(6)计算可得微带天线的基本参数为:

微带天线宽度W=26.89 mm

微带天线长度L=19.71 mm

2.3 微带天线的设计步骤

图3 微带天线版图

完成微带天线的版图绘制如图3所示。

图4 初始设计微带天线的S11

图5 初始设计微带天线输入阻抗史密斯圆图

通过ADS仿真,从图4可以看出,实际测试的值和理论计算的值相符合,工作频率约在2.4 GHz处,但是反射系数S11的绝对值很大,阻抗匹配存在问题。只有天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗时,馈线端才没有驻波,天线才能获得最大的输出功率。从微带天线输入阻抗史密斯圆图5可以看出,CC2530芯片在2.4 GHz时,天线输入阻抗与馈线的特征阻抗不匹配,反射系数S11的绝对值很大,需要进一步调整反射系数S11,达到匹配的效果,并使得中心频率更加精准在2.4 GHz处。

3 微带天线阻抗的优化匹配

分析图5可得,CC2530芯片在2.4 GHz微带天线馈线后端串联一根50Ω的传输线,然后再并联一根50Ω的传输线,将S11参数从输入阻抗8.5-j42.0调整成50+j0,达到了与特性阻抗匹配的效果,其中用到了史密斯圆图法[2]。

因为微带天线输入阻抗8.5-j42.0,可以等效为一个电阻和电容的串联,设电阻为R,电容为C。

(7)

由(7)推导得到R=8.5Ω,C=1.5pF。

在ADS原理图中添加等效的电阻和电容,添加一个并联传输线MLEF元件和一个串联传输线MLIN元件,并设定上诉元件的长度初值和宽度初值分别为15和1.23,单位为mm。再添加一个三端宽度均为1.23 mm的元件MTEE-ADS。将上述所有MLIN元件、电容元件、MLEF元件、电阻元件以及MTEE-ADS元件按照电路图连接,进行ADS仿真,观察到MLEF元件的L值被优化成9.37234 mm,达到最佳值;MLIN元件的L值被优化成7.73695 mm,达到最佳值如图6所示。

图6 优化匹配结果

按照上述ADS仿真结果添加到微带线的版图中,得到修正过的微带天线版图7,再次重复仿真可得反射系数图8和输入阻抗图9。

从图8可以得到S11=-26.141 dB,图9可以看出归一化阻抗[3]等于0.993+j0.098,接近于1,相当于输入阻抗接近于50 Ω,表明阻抗匹配效果良好。

4 微带天线的优化结果分析

从仿真结果可以看出,微带天线有了很好的匹配电路,CC2530芯片在工作频率2.4 GHz上,S11=-26.141 dB,反射系数很小。此时查看天线“Antenna Parameters”对话框,发现微带天线的增益达到3 dB以上,完全满足设计要求。所以用微带天线替代微波天线,只要合理选择微带天线形状,根据计算结果调整微带天线的物理尺寸参数并进行阻抗等参数的优化匹配,总能得到一个各项性能参数指标都达到设计要求的微带天线,从而满足RFID读写器的需求。