基于Tip-Loading 与锥形Meander T-Match 的小型化全向标签天线设计

刘晓毅,贺君,邓永和

(湖南工程学院 计算科学与电子学院,湖南 湘潭 411104)

无线射频识别(RFID)技术是一种远距离识别与信息交互技术,可实现物联网间大量信息交互,而决定其性能的关键之一是RFID 标签天线[1]。随着交互信息量的增加,工作频段位于超高频的UHF-RFID 标签天线受到重点关注[2-3],但现有UHF-RFID 标签天线存在尺寸偏大以及因全向性差而读取不稳定问题,如何实现小型化和全向性成为UHF-RFID 标签天线的设计研究重点[4-5]。

因天线需封装在标签中,小尺寸标签天线使用时便捷有效且制造成本低,具有更广泛的应用优势。目前天线小型化最常用的方法是通过弯折天线臂缩小天线尺寸,但以窄带宽和低增益为代价[6]。段艳敏等[7]在等间隔弯折偶极子天线基础上,采用了沿中心对称再次弯折的方法,该设计保证天线全向性的同时降低天线长宽比而减少占用空间,尺寸降低至22.5 mm×30.5 mm×1.6 mm,但天线增益仅0.4645 dB。已有研究发现,T 型匹配网络作为超高频天线阻抗匹配中的匹配网络,能减缓虚实部振幅以改善阻抗匹配[8-11]。Naik 等[12]、Faudzi等[13]和Gmih 等[14]将T 型匹配网络(T-Match)与容性顶载(Tip-Loading)相结合,因容性顶载结构可聚集大量电荷而增加天线电容和降低谐振频率[15],减小天线尺寸可使天线谐振频率返回原谐振频点[16-17],达到小型化目的,但仍未解决天线全向性差的问题。进一步的研究发现,通过优化T-Match 而设计的Meander T-Match 可再次减小天线尺寸。Doan等[18]、Bhaskar 等[19]和Tran 等[20]采用弯折阻抗匹配臂缩小天线尺寸,同时改进天线阻抗匹配[21],将贴片天线沿中心对称布置也能改善天线的全向性[19-21]。目前关于引入的Meander T-Match 对天线电磁场分布及天线增益的影响规律及相关机理未获得深入研究。

本文设计了一种可工作于UHF 频段的小型化全向RFID 标签天线,采用新型锥形Meander T-Match 阻抗匹配网络以实现标签天线的小型化,通过减弱相邻天线臂产生的耦合电磁场,可改善天线增益,同时设计了对称Tip-Loading 结构,能以减小天线电长度的方式缩短天线尺寸,并改善天线全向性。

1 天线结构与设计

图1(a)为本文设计的UHF-RFID 标签天线几何构型,辐射天线建立在一个长、宽、高分别为p、q、r的F4BTMS220(ε=2.2,μ=1,tanδ=0.0009)基板上,天线与基板边缘预留部分空间便于加工。辐射天线由芯片、阻抗匹配网络和弯曲的偶极子天线臂组成,天线臂间距离为a3,弯折高度为h。天线臂末端加载用于减小天线电长度的Tip-Loading 结构,其长为m,宽为n。阻抗匹配网络采用锥形弯折Meander T-Match结构,不仅继承传统弯折Meander T-Match 减少匹配网络占用空间、易于改善阻抗匹配的优点[18-20],还可以通过设计合适的阻抗匹配臂长d1、d2减少电磁场耦合,增大天线增益与读取距离。天线参数如表1所示。

图1 (a)天线模型图;(b) T 型匹配网络结构图Fig.1 (a) Geometry of antenna;(b) T-matching structure

表1 天线参数Tab.1 Antenna parameters

本设计采用NXP G2XM SOT1122 芯片,查询芯片数据手册可知,芯片工作于923 MHz 时阻抗为(18.6-j170) Ω,天线芯片与辐射天线间良好的阻抗匹配可保证二者交互能量损失最小。与有源天线相比,无源天线缺少用于阻抗变换的传输线,而是天线与芯片间直接相连。由于谐振频点处芯片阻抗为定值,将理想天线阻抗调整为芯片阻抗的共轭符合最大功率传输理论,使整个电路感抗和容抗相消,所有发射能量被负载方向网络吸收,实现最大功率传递[22]。

计算芯片与辐射天线间反射系数的公式为:

式中:Γ为芯片与天线间反射系数;ZC为芯片阻抗;ZA为天线阻抗;为ZA共轭阻抗[8]。借助高频结构模拟器(High Frequency Structure Simulator,HFSS)反射系数(S参数),可更直观地验证该天线阻抗匹配程度[23]。

T 型匹配网络结构简单,便于调整辐射天线阻抗虚实部,广泛应用于天线阻抗匹配[23]。其结构如图1(b)所示,偶极子天线臂长度为l,通过引入长度为a的匹配网络短臂调整天线输入阻抗。天线输入阻抗表示为[8]:

式中:Zin为天线输入阻抗;Zt为短路线的输入阻抗;α为天线臂与短臂间电流分配系数。

天线臂与短臂间距b影响天线阻抗虚实部;通过延长匹配网络臂a,增大天线虚实部,减小天线所需电长度;短臂宽w′影响天线阻抗虚实部[9]。提高w/w′值可提升天线输入阻抗,减小天线电长度。

T 型匹配网络小范围调整网络臂长a、间距b及臂宽w′,能减缓辐射天线虚实部振荡幅度,使天线更容易匹配高容性芯片[9],同时减小天线电长度,将天线小型化[10-11]。

2 结果与讨论

依据表1 中天线参数,采用电磁仿真软件HFSS建立图1 的天线模型并仿真优化。图2(a)为天线S11,标签天线在863～936 MHz 频段内S11<-10 dB,谐振频点923 MHz 处S11为-36.5 dB。图2(b)为天线阻抗和芯片阻抗共轭,在频率923 MHz处,天线阻抗为(13.5+j169.2)Ω,芯片阻抗为(18.6-j170) Ω,天线与芯片实部接近,虚部近似共轭,反射系数最低,表明该谐振点处天线与芯片阻抗匹配最好,能量交互损失最小。

图2 (a)天线S11;(b)天线及芯片阻抗Fig.2 (a) Reflection coefficients S11 of antenna;(b) Impedance of antenna and chip

图3(a)为天线增益全向辐射图,H 面辐射方向为圆形,E 面辐射方向近似 “8” 字形。与将Tip-Loading 结构沿芯片镜面对称布置[13-14]结构比较,以介质基板中心为基准点,采用中心对称布置设计能使E 面波瓣宽度增大,改善天线全向性,使读写器与芯片间能量交互更稳定。图3(b)为天线三维增益方向,其辐射方向与图3(a)一致,天线辐射均匀,最大增益为1.71 dB,满足UHF-RFID 贴片天线工作要求。

图3 (a) 天线增益辐射方向;(b) 天线三维增益方向Fig.3 (a) Radiation pattern of antenna gain;(b) 3D of antenna gain

图4(a)为谐振频点为923 MHz 时天线表面电场强度分布图,可以看出Tip-Loading 区域场强明显较高,该区域电荷密度大,表明此处聚集大量电荷,使天线电容显著增加,通过降低天线谐振频点的方式达到小型化天线的目的。图4(b)、(c)、(d)、(e)为相位角θ分别取0°,90°,180°和270°时,锥形Meander TMatch 结构表面电场强度分布。本设计天线为半波偶极子天线,天线每半个周期场强分布相同,矢量方向相反,即图4(b)、(d)场强一致,图4(c)、(e)场强一致。不同相位角下,匹配折叠臂错开区域色调偏暖,电场强度始终高于匹配臂耦合区域,表明该结构能有效减少匹配臂间耦合,增大电场强度。

图4 (a) 谐振频点为923 MHz,天线表面电场强度分布,色调越暖,电场强度越大;(b)、(c)、(d)、(e)为相位角θ 分别取0°,90°,180°和270°时,锥形Meander T-Match 表面电场强度分布Fig.4 (a) Surface electric field intensity distributions of antenna at 923 MHz,the electric field intensity is larger in warm-toned area;(b),(c),(d) and (e) are the surface electric field intensity distributions of tapered Meander T-Match at different phases of θ in 0°,90°,180° and 270°

为了研究阻抗匹配臂d1、d2长度对天线增益的影响,设置其他参数不变,改变d1、d2长度,观察天线增益的变化。图5 为不同天线臂长d1、d2在给定频段内增益曲线,阻抗匹配臂取不同数值均有良好增益特性。d1取1.5 mm,d2取3.0 mm时,谐振点附近天线增益最高,验证该阻抗匹配臂长取值最优。

谐振频点923 MHz 时不同天线阻抗匹配臂长对应增益如表2 所示。对比前三组数据,臂长变化显著影响增益,当d1=d2时,天线增益为1.47 dB;当d1=1.5 mm,d2=3.0 mm时,天线增益为1.71 dB,与图5 结果吻合,结合图4 电场分布,表明锥形匹配网络结构能通过减少耦合电磁场改善天线增益。

图5 阻抗匹配臂d1、 d2长度对天线增益影响Fig.5 Influence of d1 and d2 on antenna gain

取表2 中1、4 两组仿真结果,d1=3.0 mm,d2=1.5 mm 天线的增益1.69 dB,小于d1=1.5 mm,d2=3.0 mm 天线的增益1.71 dB。分析二者布放位置,可知靠近芯片馈电处,耦合损耗电磁场能量更大,缩短靠近芯片处阻抗臂长度能进一步减少耦合损耗电磁场能量。

表2 谐振频点为923 MHz 时阻抗匹配臂长度对天线增益影响Tab.2 Influence of d1 and d2 on antenna gain at 923 MHz

天线臂宽w2影响天线工作频带宽度,增大w2可扩展天线工作带宽,辅助改善阻抗匹配,延长天线和芯片使用寿命。图6 为天线臂宽w2对阻抗匹配的影响,取w2=1 mm时,天线反射系数为-36.5 dB,工作带宽约为70 MHz。取w2=0.8 mm 和w2=1.2 mm时,阻抗匹配较差,带宽远小于70 MHz。

图6 天线臂宽w2对S11影响Fig.6 Influence of w2 on reflection coefficients S11

Tip-Loading 结构可通过聚集大量电荷提升天线电容,降低谐振频点以减小天线面积,同时该结构也能改善阻抗匹配并提升天线工作带宽。图7 为Tip-Loading 结构的参数取值对天线阻抗匹配及带宽的影响,当m=18 mm,n=5.75 mm时,天线反射系数为-36.5 dB,工作带宽约70 MHz,反射系数与工作带宽优于其他取值,改善阻抗匹配、增大工作带宽的同时将Tip-Loading 结构发挥最大优势。

图7 不同参数对S11及带宽的影响。(a) m;(b) nFig.7 Effects of various parameters on reflection coefficients S11 and bandwidth.(a) m;(b) n

为了验证本设计天线的可靠性,以F4B 为基板,依据表1 参数制作了天线实物并测试其性能,天线实物及测试场景如图8 所示。

图8 (a)天线实物;(b)测试场景Fig.8 (a)Physical antenna;(b)Testing scene

采用差分探针测试法测量天线反射系数[24],借助同轴线测试夹具连接天线芯片与矢量网络分析仪接口以获得天线S11。网络分析仪型号为罗德施瓦兹ZVL13,测试范围为9 kHz～13.6 GHz,包含天线工作频段。实测与仿真S11对比如图9 所示,实测天线谐振频点为877 MHz,工作带宽与仿真结果基本一致,由于加工精度、焊接材质等因素影响天线阻抗,导致天线谐振频点偏移。天线工作频带较宽,UHF频段内天线匹配良好,频点偏移不影响天线正常工作。同时宽工作频带可降低天线加工精度,节约制造成本。

图9 RFID 天线的实测与仿真S11Fig.9 Measured and simulated reflection coefficients S11 of antenna

表3 为本文设计的天线与其他小型化全向天线的尺寸、带宽及增益对比。天线尺寸缩小会直接减小天线增益,本文所设计的天线能在较小的尺寸下仍保持宽工作频带及更好的增益。与同样采用二次弯折结构的文献[5,7]相比,设计的天线具有尺寸更紧凑和天线增益更优的特点。与同样采用弯折结构及Tip-Loading 结构的文献[13]相比,设计天线以更小的尺寸实现更高增益。

表3 几种RFID 天线尺寸及其性能对比Tab.3 Comparison between this work and other antennas in size and performance

3 结论

本文提出一款小型化全向标签天线,该天线设计锥形Meander T-Match 匹配网络,选取阻抗匹配臂d1=1.5 mm,d2=3.0 mm,不仅避免芯片附近高强度电磁场耦合,还显著降低相邻匹配臂间耦合电磁场,将尺寸减小至36 mm×30 mm×1.6 mm 的同时,提升增益至1.71 dB,满足小型化UHF-RFID 天线读取需求。以介质基板中心为基准点,将Tip-Loading 中心对称布置能有效增强天线辐射全向性,m=18 mm,n=5.75 mm 的Tip-Loading 结构能进一步改善阻抗匹配,使天线工作带宽(S11<-10 dB)大于70 MHz,实测结果验证了天线设计的可靠。小型化结构与优异的辐射全向性使本天线结构具有潜在的应用前景。