RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與測(cè)量

圖2.2(b)輸入阻抗曲線圖，天線輸入阻抗的實(shí)部在940MHz附近達(dá)到最大值與2.2(c)中耦合功率曲線圖940MHz附近最小值相對(duì)應(yīng)，通常我們說天線在940MHz諧振。下面就舉例通過諧振頻率法來推算標(biāo)簽所貼附的復(fù)合板的等效介電常數(shù)。

　　圖2.3(a)

　　圖2.3(b)

圖2.2(a)所示標(biāo)簽天線貼附于某復(fù)合板上時(shí)，實(shí)測(cè)耦合功率曲線如圖2.3(a)，可以看到耦合功率最小值飄移至780MHz附近，即天線的諧振頻率變?yōu)?80MHz。

按照復(fù)合板尺寸進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)復(fù)合板的介電常數(shù)設(shè)置為3.4時(shí)，天線輸入阻抗仿真計(jì)算實(shí)部最大值落在780MHz，如圖2.3(b)，復(fù)合板介電常數(shù)等效為3.4。復(fù)合板等效介電常數(shù)已確定，即可按正常設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線。

2.3.2.縮尺模型技術(shù)應(yīng)用與比例測(cè)量法

縮尺模型技術(shù)是指在滿足一定條件下，將天線按一定縮尺比例縮小(或放大)，其特性參數(shù)也滿足這一比例呈函數(shù)變化。縮尺模型技術(shù)通常為了便于測(cè) 試，制作適于測(cè)試的模型進(jìn)行等效測(cè)試，RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)測(cè)量也可以直接采用縮尺模型技術(shù)進(jìn)行等效測(cè)量。本文對(duì)縮尺模型測(cè)量技術(shù)原本用法不再展開討 論，本文從另一個(gè)角度展開縮尺模型技術(shù)的應(yīng)用。

我們由圖2.2(a)所示天線在空氣中及貼附于復(fù)合板上兩種環(huán)境下其輸入阻抗曲線形狀相同，位置及數(shù)值存在一定邏輯關(guān)系，與縮尺模型技術(shù)存在一 定的相似性。由圖2.2(b)和2.3(b)可推算出貼附于復(fù)合板材上時(shí)天線的輸入阻抗頻率乘以1.2與空氣介質(zhì)時(shí)近似。即我們可以通過測(cè)量兩種環(huán)境下的 天線的諧振頻率，得到頻率變化系數(shù)為1.2。

K=F空/F介=0.94/0.78=1.2

假設(shè)我們要設(shè)計(jì)一款尺寸與2.2(a)所示相同的標(biāo)簽天線，貼附于前面所指的復(fù)合板材上，要求其特性參數(shù)與2.2(a)所示天線在空氣條件下相 近。按照要求調(diào)整天線結(jié)構(gòu)得到如圖2.4所示天線，使其空氣介質(zhì)條件下輸入輸入阻抗曲線與圖2.2(b)的1.2比例相近。圖2.5為圖2.4所示天線仿 真計(jì)算輸入阻抗，基本接近1.2比例要求。

　　圖2.4

　　圖2.5

通過比例測(cè)算法可直接確定在復(fù)雜環(huán)境下設(shè)計(jì)目標(biāo)，較等效介電常數(shù)測(cè)算法更快捷，工作量減小，該方法在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中實(shí)用性較高。

2.4標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)頻帶的確定

UHF RFID因 每個(gè)國家的頻段標(biāo)準(zhǔn)不同，因此標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)要求確定設(shè)計(jì)頻帶。應(yīng)用天線等效測(cè)算法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，天線設(shè)計(jì)頻帶還要乘以比例系數(shù)K。如要求設(shè)計(jì) 一款用于美國，附著于常見藥瓶的RFID標(biāo)簽。已知藥瓶通過測(cè)試計(jì)算出頻率變化比例K=1.19，因美國頻率段標(biāo)準(zhǔn)為902-928MHz，

　　所以確定設(shè)計(jì)頻帶為：

　　Fmin=Fmin標(biāo)×K=902×1.19=1073MHz

　　Fmax=Fmax標(biāo)×K=928×1.19=1104MHz

　　即設(shè)計(jì)頻帶為1073-1104MHz，只要使天線在這個(gè)頻帶的特性參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值卻可。

應(yīng)用天線等效測(cè)算法進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，可以省去較多仿真計(jì)算工作，特別是明確在簡(jiǎn)單條件(純天線)下的頻帶，這會(huì)使原本復(fù)雜的計(jì)算簡(jiǎn)單化。

2.5動(dòng)態(tài)阻抗匹配的設(shè)計(jì)

芯片在未開啟狀態(tài)下通常可等效成容阻電路，即電容電阻并聯(lián)電路。如一款芯片標(biāo)稱值為0.85PF，2KΩ，則其輸入阻抗為

　　Z=(jR/ωC)/( R+1/jωC)=(1-jωCR2)R/[1+(ωCR)2]

芯片輸入阻抗曲線如圖2.6。

　　圖2.6

由芯片的輸入輸阻抗曲線圖可知，芯片的輸入阻隨頻率變化而變化。當(dāng)芯片綁定到天線上時(shí)，還會(huì)增加分布電容，芯片的實(shí)際輸入阻抗與標(biāo)稱值還存在一 定差異。為了使標(biāo)簽?zāi)軌蚍€(wěn)定工作，滿足較寬頻帶內(nèi)阻抗匹配，通常標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)時(shí)考慮芯片的輸入阻抗的動(dòng)態(tài)變化，做動(dòng)態(tài)阻抗匹配設(shè)計(jì)。通常所指的標(biāo)簽天線動(dòng) 態(tài)阻抗匹配設(shè)計(jì)是指天線輸入阻抗在設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)阻抗變化趨勢(shì)與芯片輸入阻抗共軛值的變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。此外動(dòng)態(tài)阻抗匹配設(shè)計(jì)還包含芯片開啟、讀、寫等各個(gè)狀態(tài) 下的輸入阻抗，為了兼顧標(biāo)簽各個(gè)狀態(tài)的性能，設(shè)計(jì)上盡可能地使天線在工作頻帶內(nèi)滿足芯片在各個(gè)狀態(tài)下基本符合匹配條件。