關(guān)于超小型超高頻段RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)全面解析

RFID應(yīng)用越來越廣泛，市場(chǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，同時(shí)在技術(shù)上的要求也在趨于多樣化個(gè)性化。該文提出了一種超小型433 MHz PCB天線，增益為-17 dB，達(dá)到了RFID系統(tǒng)的應(yīng)用要求。該天線半徑為14 mm的半圓區(qū)域，尺寸小，同時(shí)滿足標(biāo)簽小型化和天線性能兩方面的要求。

有源射頻識(shí)別定位系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種定位場(chǎng)景。針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景下電子標(biāo)簽小型化的需求，在半徑為14 mm的半圓里，應(yīng)用彎折線實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽PCB天線的小型化設(shè)計(jì)，增益達(dá)到-17 dB.基于集總元件電路，天線實(shí)現(xiàn)了433 MHz的諧振特性，且標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片實(shí)現(xiàn)了50 Ω的阻抗匹配。

即射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID），是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有成本低、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。有源RFID定位系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各種定位場(chǎng)景。天線是RFID系統(tǒng)的重要組成部分，在眾多場(chǎng)景中均制約著RFID技術(shù)的發(fā)展，所以對(duì)于RFID天線的研究和設(shè)計(jì)十分迫切。當(dāng)前RFID系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在低頻、高頻、超高頻和微波頻段，且在這些頻段上的天線設(shè)計(jì)研究有較大不同。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用超高頻段進(jìn)行通信，目前在UHF頻段多采用偶極子及其變形結(jié)構(gòu)，如彎折線天線、折合偶極子天線等。文中設(shè)計(jì)了超高頻段433 MHz的標(biāo)簽小型化天線，需同時(shí)滿足標(biāo)簽小型化和天線性能兩方面的要求。

1 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)思想

1.1 標(biāo)簽天線輻射增益確定

天線增益用G來表示，定義為：在輸入功率相同的條件下，天線在最大輻射方向上某一點(diǎn)的功率通量密度與相點(diǎn)源天線在同一點(diǎn)處的功率通量密度之比。一般RFID系統(tǒng)最大傳輸距離表示為

標(biāo)簽天線發(fā)射信號(hào)，讀寫器天線接收信號(hào)。對(duì)應(yīng)式（1）中，Pth為讀寫器射頻芯片規(guī)定的天線最小接收功率，-110 dBm·W；Pt為標(biāo)簽射頻電路芯片規(guī)定的天線發(fā)射功率，可調(diào)，-20~3 dBm·W；Gt為要設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線增益；GT為已有讀寫器天線增益，3 dBi；λ為工作波長(zhǎng)；r為標(biāo)簽與讀寫器之間工作距離設(shè)計(jì)目標(biāo)，50 m；工作頻率為433MHz。RFID系統(tǒng)中讀寫器天線為圓極化天線，標(biāo)簽天線為線極化天線，二者會(huì)產(chǎn)生3 dB的極化失配損失。根據(jù)計(jì)算公式和實(shí)際場(chǎng)景綜合考慮，最后確定標(biāo)簽天線增益為-19 dB，可滿足應(yīng)用需求。

1.2 標(biāo)簽天線阻抗匹配

標(biāo)簽天線面積設(shè)計(jì)目標(biāo)是半徑為14 mm的半圓區(qū)域。433 MHz的標(biāo)簽天線由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，所以在規(guī)定的面積內(nèi)采用彎折線的天線結(jié)構(gòu)。彎折線天線中彎折次數(shù)、彎折角、彎折高度以及彎折線寬均在較大程度上影響了天線的諧振特性。在不改變天線外形尺寸的條件下，隨著彎折次數(shù)的增加，彎折線天線的諧振頻率、諧振阻抗下降，但是下降的趨勢(shì)漸緩，之后當(dāng)繼續(xù)增加彎折次數(shù)時(shí)，天線的諧振頻率基本不變。同樣在天線外尺寸不變的條件下，改變彎折高度和彎折角，得到的結(jié)果類似，均為開始時(shí)隨著彎折高度和彎折角的增加，天線諧振頻率和阻抗明顯下降，之后趨勢(shì)漸緩，最后基本不變。鑒于天線面積較小，在有限的區(qū)域內(nèi)使用彎折線結(jié)構(gòu)無法達(dá)到433 MHz的諧振頻率，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要增加相應(yīng)的匹配電路進(jìn)行調(diào)諧。

此外，電子標(biāo)簽電路板設(shè)計(jì)中射頻電路與饋線、饋線與天線之間的阻抗要達(dá)到共軛匹配，天線才能獲得最大的功率傳輸，輻射最大的能量。當(dāng)射頻電路與天線阻抗失配時(shí)，射頻電路的能量將不能全部由天線輻射發(fā)出，而且這部分的能量會(huì)反射回射頻電路，產(chǎn)生駐波，對(duì)電路產(chǎn)生較大損害。所以為了使信號(hào)和能量有效傳輸，必須使電路工作在阻抗匹配狀態(tài)，即與天線連接的芯片阻抗必須和天線阻抗共軛匹配。將芯片阻抗調(diào)至50 Ω，天線的輸入阻抗調(diào)為50 Ω，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2 標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽采用FR4-環(huán)氧樹脂電路介質(zhì)基板（FR4_expoy）厚度為0.8 mm；介電常數(shù)為4.4；線寬為0.5 mm。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間繞制，得到天線幾何形狀如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)天線結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)充分利用了電子標(biāo)簽形狀，天線的增益如圖2所示。

圖2 天線增益圖

由圖2可知，天線增益為-15.7 dB，全向輻射。天線上的電流分布如圖3所示。

圖3 天線面電流密度

天線諧振圖像如圖4所示。

圖4中，天線確如分析，并沒有在433 MHz出現(xiàn)諧振，需要增加相應(yīng)的匹配電路。

圖4 設(shè)計(jì)天線S11曲線

3 射頻電路的阻抗匹配

在天線433 MHz處諧振，需相應(yīng)地匹配電路調(diào)諧。這里采用Smith圓圖進(jìn)行調(diào)諧和阻抗匹配，首先要已知該結(jié)構(gòu)天線在433 MHz處的阻抗值。從HFSS仿真結(jié)果中可查到該天線在各個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗，如圖5所示。

圖5 天線在400~460MHz的阻抗

圖5中方框部分為433 MHz頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻抗值，Zt=2.832 004-i222.484 839，天線實(shí)部較小，呈現(xiàn)容抗性。這里使用ADS進(jìn)行阻抗匹配工作。設(shè)計(jì)原理是天線增加匹配電路后，組成一個(gè)新的電路結(jié)構(gòu)，整個(gè)電路在433 MHz處諧振，阻抗達(dá)到50 Ω，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。ADS原理圖中用集總元件表示天線的阻抗，具體設(shè)計(jì)方法是天線等效為一個(gè)電阻和電容的串聯(lián)，設(shè)電阻為R，電容為C

計(jì)算得到，R=2.832 004 Ω，C=1.65 pF。

ADS中將集總元器件、Smith Chart Matching圓連接起來得到仿真電路，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 ADS中天線Smith匹配Smith Chart匹配

圖6中電路結(jié)構(gòu)經(jīng)Smith Chart匹配，ADS中提供了4種匹配結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 4種匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)L型匹配電路介紹，設(shè)計(jì)采用右上角先并聯(lián)電感后串聯(lián)電感的方式。將匹配電路與天線串聯(lián)連接后，用ADS仿真得到此時(shí)天線的諧振頻率與帶寬，如圖8所示。

圖8 天線諧振S11曲線圖

圖8所示，仿真天線諧振點(diǎn)為433 MHz，天線帶寬為2 MHz具體范圍是432~434 MHz，結(jié)果符合有源RFID系統(tǒng)中通信頻率的設(shè)計(jì)要求。但ADS因存在精度問題，會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸入值，所以只采用其提供的匹配電路結(jié)構(gòu)圖，具體的元器件值還需進(jìn)行實(shí)際調(diào)試得到。實(shí)際調(diào)試中用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接同樣的匹配電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試。準(zhǔn)備一塊帶有匹配電路電感位置的天線板。根據(jù)以下步驟調(diào)試匹配電路：（1）啟動(dòng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。（2）將矢量網(wǎng)絡(luò)分析中的同軸傳輸線外導(dǎo)體連接匹配電路中接地端，將內(nèi)導(dǎo)體連接匹配電路饋線端。（3）焊接匹配電路中其中一個(gè)電感，根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析中的Smith圓圖調(diào)節(jié)另一個(gè)電感值，直到諧振頻率為433 MHz時(shí)，調(diào)試完成。經(jīng)調(diào)試，確定調(diào)試過程中L3為30 nH，L2為12 nH.最終結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)際調(diào)試后匹配電路

實(shí)際調(diào)試中天線的增益為-17 dB，較仿真時(shí)有所減小。當(dāng)天線在433.92 MHz諧振時(shí)，天線的帶寬較窄，相比仿真結(jié)果約減小400 kHz。而且匹配電路中電感值發(fā)生較大變化，這是因?yàn)锳DS進(jìn)行Smith圓匹配中默認(rèn)阻抗實(shí)部最小為5.3，而實(shí)際天線的實(shí)部只有2.8，出現(xiàn)了較大誤差。即便如此，文中所設(shè)計(jì)的天線還能滿足有源RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用要求。實(shí)物如圖10所示。

圖10 實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種超小型433 MHz PCB天線，增益為-17 dB，達(dá)到了RFID系統(tǒng)的應(yīng)用要求。天線半徑為14 mm的半圓區(qū)域，在目前所有的文獻(xiàn)中面積最小。該天線已制作完成，經(jīng)過不斷調(diào)試，在匹配了兩個(gè)電感后，諧振頻率達(dá)到433 MHz。該天線尺寸小，是一種性能較好，工程上實(shí)用性強(qiáng)的標(biāo)簽天線。