一種超小型超高頻段RFID標簽天線的設計

 RFID應用越來越廣泛,市場規(guī)模也在不斷擴大,同時在技術上的要求也在趨于多樣化個性化。該文提出了一種超小型433 MHz PCB天線,增益為-17 dB,達到了RFID系統(tǒng)的應用要求。該天線半徑為14 mm的半圓區(qū)域,尺寸小,同時滿足標簽小型化和天線性能兩方面的要求。

  有源射頻識別定位系統(tǒng)現(xiàn)已被廣泛應用于各種定位場景。針對實際場景下電子標簽小型化的需求,在半徑為14 mm的半圓里,應用彎折線實現(xiàn)了標簽PCB天線的小型化設計,增益達到-17 dB?；诩傇娐?天線實現(xiàn)了433 MHz的諧振特性,且標簽天線與標簽芯片實現(xiàn)了50 Ω的阻抗匹配。

  433 MHz RFID標簽天線的設計

  即射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID),是一種非接觸式的自動識別技術,通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信,對目標加以識別并獲取相關數據,具有成本低、定位精度高的優(yōu)點。有源RFID定位系統(tǒng)已被廣泛應用于各種定位場景。天線是RFID系統(tǒng)的重要組成部分,在眾多場景中均制約著RFID技術的發(fā)展,所以對于RFID天線的研究和設計十分迫切。當前RFID系統(tǒng)的應用主要集中在低頻、高頻、超高頻和微波頻段,且在這些頻段上的天線設計研究有較大不同。本文系統(tǒng)設計采用超高頻段進行通信,目前在UHF頻段多采用偶極子及其變形結構,如彎折線天線、折合偶極子天線等。文中設計了超高頻段433 MHz的標簽小型化天線,需同時滿足標簽小型化和天線性能兩方面的要求。

  1 標簽天線設計思想

  1.1 標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的功率通量密度與相點源天線在同一點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

  433 MHz RFID標簽天線的設計

  標簽天線發(fā)射信號,讀寫器天線接收信號。對應式(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為標簽射頻電路芯片規(guī)定的天線發(fā)射功率,可調,-20~3 dBm·W;Gt為要設計的標簽天線增益;GT為已有讀寫器天線增益,3 dBi;λ為工作波長;r為標簽與讀寫器之間工作距離設計目標,50 m;工作頻率為433MHz。RFID系統(tǒng)中讀寫器天線為圓極化天線,標簽天線為線極化天線,二者會產生3 dB的極化失配損失。根據計算公式和實際場景綜合考慮,最后確定標簽天線增益為-19 dB,可滿足應用需求。

  1.2 標簽天線阻抗匹配

  標簽天線面積設計目標是半徑為14 mm的半圓區(qū)域。433 MHz的標簽天線由于波長較長,所以在規(guī)定的面積內采用彎折線的天線結構。彎折線天線中彎折次數、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,但是下降的趨勢漸緩,之后當繼續(xù)增加彎折次數時,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,得到的結果類似,均為開始時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,之后趨勢漸緩,最后基本不變。鑒于天線面積較小,在有限的區(qū)域內使用彎折線結構無法達到433 MHz的諧振頻率,所以設計時需要增加相應的匹配電路進行調諧。

  此外,電子標簽電路板設計中射頻電路與饋線、饋線與天線之間的阻抗要達到共軛匹配,天線才能獲得最大的功率傳輸,輻射最大的能量。當射頻電路與天線阻抗失配時,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反射回射頻電路,產生駐波,對電路產生較大損害。所以為了使信號和能量有效傳輸,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。將芯片阻抗調至50 Ω,天線的輸入阻抗調為50 Ω,從而實現(xiàn)阻抗匹配。

  2 標簽天線結構設計

  電子標簽采用FR4-環(huán)氧樹脂電路介質基板(FR4_expoy)厚度為0.8 mm;介電常數為4.4;線寬為0.5 mm。經過長時間繞制,得到天線幾何形狀如圖1所示。

  該結構充分利用了電子標簽形狀,天線的增益如圖2所示。

  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,需要增加相應的匹配電路。

  3 射頻電路的阻抗匹配

  在天線433 MHz處諧振,需相應地匹配電路調諧。這里采用Smith圓圖進行調諧和阻抗匹配,首先要已知該結構天線在433 MHz處的阻抗值。從HFSS仿真結果中可查到該天線在各個頻率點的阻抗,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頻率點對應的阻抗值,Zt=2.832 004-i222.484 839,天線實部較小,呈現(xiàn)容抗性。這里使用ADS進行阻抗匹配工作。設計原理是天線增加匹配電路后,組成一個新的電路結構,整個電路在433 MHz處諧振,阻抗達到50 Ω,從而實現(xiàn)阻抗匹配。ADS原理圖中用集總元件表示天線的阻抗,具體設計方法是天線等效為一個電阻和電容的串聯(lián),設電阻為R,電容為C

  433 MHz RFID標簽天線的設計

  計算得到,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,具體結構如圖6所示。

  圖6 ADS中天線Smith匹配Smith Chart匹配

  圖6中電路結構經Smith Chart匹配,ADS中提供了4種匹配結構,如圖7所示。

  圖7 4種匹配網絡結構圖

  根據L型匹配電路介紹,設計采用右上角先并聯(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,仿真天線諧振點為433 MHz,天線帶寬為2 MHz具體范圍是432~434 MHz,結果符合有源RFID系統(tǒng)中通信頻率的設計要求。但ADS因存在精度問題,會自動調整輸入值,所以只采用其提供的匹配電路結構圖,具體的元器件值還需進行實際調試得到。實際調試中用矢量網絡分析儀連接同樣的匹配電路結構進行調試。準備一塊帶有匹配電路電感位置的天線板。根據以下步驟調試匹配電路:(1)啟動矢量網絡分析儀。(2)將矢量網絡分析中的同軸傳輸線外導體連接匹配電路中接地端,將內導體連接匹配電路饋線端。(3)焊接匹配電路中其中一個電感,根據矢量網絡分析中的Smith圓圖調節(jié)另一個電感值,直到諧振頻率為433 MHz時,調試完成。經調試,確定調試過程中L3為30 nH,L2為12 nH。最終結果如圖9所示。

  圖9 實際調試后匹配電路

  實際調試中天線的增益為-17 dB,較仿真時有所減小。當天線在433.92 MHz諧振時,天線的帶寬較窄,相比仿真結果約減小400 kHz。而且匹配電路中電感值發(fā)生較大變化,這是因為ADS進行Smith圓匹配中默認阻抗實部最小為5.3,而實際天線的實部只有2.8,出現(xiàn)了較大誤差。即便如此,文中所設計的天線還能滿足有源RFID定位系統(tǒng)應用要求。實物如圖10所示。

  圖10 實物圖

  4 結束語 :本文提出了一種超小型433 MHz PCB天線,增益為-17 dB,達到了RFID系統(tǒng)的應用要求。天線半徑為14 mm的半圓區(qū)域,在目前所有的文獻中面積最小。該天線已制作完成,經過不斷調試,在匹配了兩個電感后,諧振頻率達到433 MHz。該天線尺寸小,是一種性能較好,工程上實用性強的標簽天線。