電感耦合饋電偶極子標簽天線阻抗調試分析

楊躍勝，武岳山,2

（1.深圳市遠望谷信息技術股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.西北大學信息科學與技術學院，陜西 西安 710127）

電感耦合饋電偶極子標簽天線阻抗調試分析

楊躍勝1，武岳山1,2

（1.深圳市遠望谷信息技術股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.西北大學信息科學與技術學院，陜西 西安 710127）

結合電感耦合饋電偶極子標簽天線模型，在理論上分析了該類型天線阻抗實部和虛部的調節方法，同時依據終端短路的射頻傳輸線理論，分析了電感耦合環的近似長度值，利用HFSS仿真軟件對天線模型進行仿真測試，使該天線阻抗調試理論方法得到充分驗證。結合I2C芯片主從測試多天線PCB板的需求，設計了一款寬頻帶電感耦合饋電偶極子標簽天線，通過實際測試，任意一個標簽讀取距離超過2 m，滿足I2C芯片主從測試的需求。

電感耦合 耦合饋電 偶極子 阻抗 電子標簽

1 引言

RFID（Radio Frequency Identification）系統作為一種擁有巨大應用前景和發展潛力的無線識別系統，對天線的設計提出了諸多要求。除天線的尺寸大小、帶寬特性、方向圖特性和應用環境等，天線設計最關心天線和芯片之間的阻抗匹配和諧振頻率。天線是一個復雜的系統，設計和調試天線時也經常遇到阻抗匹配困難的問題，文獻[1]采用寄生單元調整天線阻抗和諧振頻率，文獻[2]提出在偶極子開槽和感性耦合形成雙頻帶，進而展寬頻帶，兩者均可以在一定程度上展寬天線頻帶，但是阻抗調試較為困難。本文采用電感耦合饋電的UHF（Ultra High Frequency）頻段偶極子標簽天線，進行阻抗參數調試，對電感耦合饋電的偶極子標簽天線的阻抗調節方法進行說明，并結合應用案例，完成寬頻帶標簽天線設計調試，測試結果表明最終性能完全滿足標簽應用需求。

2 天線結構及設計原理

電感耦合饋電的UHF頻段RFID偶極子天線采用電磁耦合饋電結構，該天線一般的形式包括一個獨立的輻射主體和一個饋電環，其結構如圖1所示：

圖1 電感耦合饋電天線的一般形式結構圖

天線的輻射體一般形式通常為一段具有一定寬度的獨立的輻射貼片，其具體形式多種多樣，芯片貼在饋電環之間，饋電環和輻射貼片之間的耦合強度主要受兩個方面因素的影響：其一，天線輻射體和矩形饋電環之間的間隙d影響耦合強度值，間隙越小，耦合強度越強，相反間隙越寬，耦合強度越弱；其二，饋電環的尺寸大小亦影響兩者之間的耦合強度。耦合強度的大小對天線性能的影響可以由天線的輸入阻抗來反映和分析。

2.1 電感耦合饋電偶極子標簽天線模型分析

電感耦合饋電的偶極子天線一般形式可以通過一個簡化的耦合模型來分析，如圖2所示：

圖2 電感耦合饋電的偶極子天線一般形式等效電路模型

基于圖2所示的天線等效電路模型可知，從天線饋電口看進去的輸入阻抗為：

式(1)中，M表示天線輻射體和饋電環之間的互感，表征兩者之間的耦合強度；Zloop表示饋電環自身的阻抗值，其值取決于饋電環本身的電感值Lloop，可以表示為：

ZA為去掉饋電環之后，天線輻射體自身所呈現的阻抗值，其值由輻射體自身電阻RA、電容C及電感LA構成。在其諧振頻率f0附近時，ZA可以由天線的諧振頻率附近的輻射電阻Rr及與頻率f有關的品質因數Q表征：

由式(1)、式(2)、式(3)可得到電感耦合饋電偶極子標簽天線輸入阻抗實部和虛部理論計算公式：

當天線工作在諧振頻率f0時，即f=f0，天線輸入阻抗的實部和虛部整理后則變為：

從天線輸入阻抗的實部和虛部的表達式可以看出：天線輸入阻抗的實部受到天線輻射體與饋電環之間的耦合系數及天線輻射體自身的輻射電阻控制，而天線輸入阻抗虛部則取決于饋電環本身電感值的大小，因此，天線輸入阻抗的實部和虛部獨立可控。

電感耦合饋電的RFID偶極子標簽天線的阻抗實部虛部獨立調節，提供了調試天線阻抗的一種簡單而有效的思路：首先選擇尺寸適當的饋電環，抵消芯片阻抗的虛部，然后調節饋電環與天線輻射體之間的間隙，以獲得合適的實部，最終實現天線與芯片阻抗共軛匹配。

2.2 電感耦合饋電環長度分析

從圖1可以看出，單獨的饋電環可以看做是一個終端短路的傳輸線，饋電環的半周長類似傳輸線的長度，饋電環的饋點處為傳輸線的饋點，根據文獻[4]可知，終端短路的傳輸線特性阻抗為：

式(8)中，z為距離傳輸線短路終端的距離，由于需要了解芯片饋電點處的天線阻抗值，因此z可以理解為饋電環的半周長近似值。Z0為饋電環所在傳輸線的特性阻抗值，由饋電環的饋線寬度及天線材料確定，特性阻抗Z0為一特定值。Zin(z)是長度為z的傳輸線的特性阻抗，近似為饋電環饋電點所在處的阻抗值，即天線的阻抗值。

終端短路傳輸線的輸入阻抗特性隨位置而改變，當0＜z＜λ/4時，輸入阻抗為電感，饋電環半周長從0增加到λ/4時，其電感逐漸增加；當z=λ/4時，輸入阻抗為無窮大，當λ/4＜z＜λ/2時，輸入阻抗為電容，饋電環半周長從λ/4逐漸增加到λ/2時，其電容的絕對值從無窮大逐漸減小到0；終端短路傳輸線的阻抗特性每過λ/4變換一次，終端短路傳輸線的特性阻抗每過λ/2重復一次；由于芯片的阻抗為容性，因此天線設計的阻抗必須為感性，類比可知饋電環半周長長度不能超過λ/4的長度。

2.3 電感耦合饋電的偶極子標簽天線通用形式

圖3為電感耦合RFID標簽天線通用形式示意圖[6]，從圖3可以看出耦合系數M的大小不再依賴輻射體和饋電環的距離控制，而是直接將輻射體的兩極連接在電感饋電環上，通過輻射體兩極連接到饋電環上的不同位置，從而改變耦合系數M，進而影響天線的阻抗實部和虛部[7]。

耦合強度M的大小也影響天線的帶寬，當耦合強度M較大時，即采用過耦合型標簽，標簽天線的帶寬較寬；當耦合強度M較小時，即采用欠耦合型標簽設計形式時，天線的帶寬較窄，但是天線的方向性更強；折中的方法即平衡耦合方式，該方法可以獲得較寬的帶寬，也可以獲得較強的方向性。另外，為了節省天線的尺寸，通常采用彎折線設計輻射體，與電感饋電偶極子標簽天線的一般形式相比，引入彎折線之后，輻射體上的每個彎折處引入了電抗，會影響天線的整體電抗值，使用時需要靈活調節天線輻射體彎折處寬度，改變天線的電抗值。

圖3 電感耦合偶極子標簽天線通用模式示意圖

3 天線仿真分析

天線的介質板采用厚度為0.8 mm，相對介電常數為4.4的FR4介質板?；逅筱~厚度為0.03 mm，采用圖1所示的電感耦合饋電一般形式進行分析，表1和表2為天線在920 MHz頻點，天線仿真阻抗值。

表1 輻射體和饋電環的間距d對阻抗的影響

從表1可知，饋電環尺寸不變，僅僅改變饋電環和輻射體的間距d，當d逐漸增加的時候，天線阻抗的虛部變化不明顯，天線阻抗實部逐漸減小，與設計原理分析相同。

當輻射體與饋電環的尺寸d=2 mm不變時，饋電環的高度不變，改變饋電環的寬度w，天線阻抗參數變化如表2所示：

表2 饋電環尺寸對阻抗的影響

從表2可知，當改變饋電環的寬度時，天線阻抗虛部隨著饋電環尺寸的增加而逐漸增大。而由于饋電環的寬度增加，使得輻射體和饋電環的耦合系數增大，天線的實部也逐漸增大，仿真測試效果同等效模型理論分析相同。

4 電感耦合饋電偶極子標簽天線設計

為了滿足I2C芯片主從測試板需求，設計了一款PCB（Printed Circuit Board）板載天線，PCB厚度為0.8 mm，FR4材料，芯片的阻抗在915 MHz的參考值為12.5-j158。芯片采用電感耦合饋電環進行饋電，為了減小PCB板的面積，輻射體采用彎折天線形式，天線結構圖如圖4所示，具體尺寸如表3所示。

圖4 I2C芯片主從測試板載天線平面示意圖

表3 天線尺寸表 mm

圖5 天線仿真阻抗曲線

圖6 天線仿真回波損耗及諧振頻率曲線

圖5所示為天線仿真的阻抗曲線，在840 MHz—960 MHz頻段內，天線的阻抗虛部變化范圍為140～173，在諧振頻率915 MHz，天線阻抗虛部為158，滿足芯片寬頻帶范圍內阻抗共軛的要求。芯片的實部較小，依據調試經驗，標簽天線的虛部共軛對天線性能的影響較為明顯，因此，該天線阻抗滿足實用要求。

圖6所示天線回波損耗及諧振頻率曲線，從圖6可知，天線諧振在915 MHz，相對帶寬為67%，頻率在615 MHz范圍內實現了回波損耗低于-10 dB，達到了良好的效果。

為了適應I2C主從測試，單個PCB板上同時設計8套同樣的天線，PCB板大小為155 mm×74 mm，為了對天線進行簡單的調節，在天線的輻射體末端加入了多個方形pad，調整天線諧振頻率，圖7為I2C主從測試多天線PCB。

圖7 I2C主從測試多天線PCB板

通過實際測試，在915 MHz，標簽天線靈敏度低于-8 dBm，該PCB板在8個天線同時工作的條件下，可以任意對某個標簽做無線讀寫測試，使用遠望谷807讀寫器，功率24 dBm，在915 MHz頻點，讀寫距離超過2 m，滿足測試要求。

5 結束語

由于RFID應用環境差異，涉及的標簽樣式千變萬化，同時RFID標簽天線技術逐漸向低成本、全向性、小型化甚至一體化的方向發展，在具體應用項目實施中，標簽天線快速調試和性能實現非常重要。實際應用時，根據標簽大小和性能要求等參數，采用天線輻射體和饋電環連接耦合，依據連接的位置不同，實現不同的阻抗值，實現快速阻抗匹配，充分發揮天線的最佳性能，此類天線引入了一些電抗，但主要設計方向同一般形式的耦合天線相同。

電感耦合饋電的偶極子標簽天線及其變形天線是RFID標簽天線設計的主流，該天線的一般形式存在阻抗虛部和實部可進行單獨調節的方法，這對此類標簽天線仿真和調試有非常重要的作用。

[1]Kim T H, Park D C. CPW-fed compact monopole antenna for dual-band WLAN applications[J]. Electronics Letters,2005,41(6): 291-293.

[2]Shavit R, Tzur Y, Spirtus D. Design of a new dualfrequency and dual-polarization microstrip element[J].IEEE Transactions on Antennas amp; Propagation,2003,51(7): 1443-1451.

[3]柏科文. 射頻識別標簽天線研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2009.

[4]黃玉蘭. 射頻電路理論與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2008.

[5]Klaus Finkenzeller. 射頻識別（RFID）技術[M]. 陳大才,譯. 北京: 電子工業出版社, 2001.

[6]楊躍勝,武岳山,熊立志,等. 一種UHF無源RFID標簽芯片阻抗測試方法研究[J]. 電子技術應用, 2011,37(4):61-63.

[7]鄧曉鶯,汪勇,何業軍. 無源RFID電子標簽天線理論與工程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2016.

[8]汪建業. 耦合饋電微帶天線分析與設計[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012.

[9]John D Kraus, Ronald J Marhefka. Antennas: For ALL Applications[M]. 3rd. 章文勛,譯. 北京: 電子工業出版社, 2012.

[10]章偉,甘泉. UHF RFID標簽天線設計、仿真及實踐[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012.

Debugging Analysis on Impedance of Inductance Coupled Feeding Dipole Tag Antenna

YANG Yuesheng1, WU Yueshan1,2
(1. Invengo Information Technology Co., Ltd., Shenzhen 518057, China;2. School of Information Science amp; Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China)

In the light of the model of inductance coupled deeding dipole tag antenna, the adjustment method of the real part and imaginary part of this type of antenna impedance was analyzed. Based on the RF transmission line theory of terminal short circuit, the approximate length of inductance coupled loop was investigated. The antenna model was simulated and tested by means of HFSS software to sufficiently validate the impedance debugging theory and method of the antenna. According to the requirement of master-slave testing multi-antenna PCB of I2C chip,a broadband inductance coupled feeding dipole tag antenna was designed. The practical tests demonstrate that the reading distance of all of tags exceeds 2 m to meet the requirement of master-slave testing of I2C chip.

inductance coupling coupled feeding dipole impedance e-tag

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.014

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0080-05

楊躍勝,武岳山. 電感耦合饋電偶極子標簽天線阻抗調試分析[J]. 移動通信, 2017,41(18): 80-84.

2017-07-20

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

楊躍勝：碩士畢業于西北大學，現任職于深圳市遠望谷信息技術股份有限公司芯片研發中心，主要研究方向為射頻識別技術。

武岳山：西北大學副教授，現任深圳市遠望谷信息技術股份有限公司技術總監，主要研究方向為射頻識別、EDA、電子技術。