（电路与系统专业论文）射频识别（rfid）系统天线设计及阻抗测量方法.pdf

摘要 摘要 尽管天线理论主要是基于对远场的研究，但是在网络及通信技术的飞速发展 的今天，近距无线技术j 下在成为关注的焦点，应用场合也在不断扩大。例如，许 多电子安检设备，如e a s ( 商品防窃检测) 、r f i d ( 射频识别) 读写设备等，都要应 用高效的近场通信天线。近年来兴起的n f c 技术m a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) ，更 开辟了近场天线研究的新天地。 本论文研究了射频识别( r h d ) 系统天线设计原理及阻抗测量方法。详细介绍 了r f i d ( 1 5 6 9 3 标准) 天线的材料、几何尺寸、q 值等参数对天线性能的影响，并 对匹配电路进行了设计和仿真。在测试过程中，本文提出了一种天线阻抗的传输 线多点测量法，并由此实现了一种自动测试系统。测量结果表明，该测量方法不 仅省去了昂贵的专用测量仪器，而且简单实用，易于实现。本文最后对测量结果 进行了分析，指出了误差的原因和改进方法。 关键词；射频识别；近场通信；阻抗测量：天线设计；史密斯圆图 a b s t r a c t t 1 l ea n t e n n at h e o r i e sa r em a i n l yb a s e do ns t u d yo ff a rf i e l d ，b u tw i t ht h e d e v e l o d m e n to ft h en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o d a y ，t h es h o r t r a n g e r a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o 舀e sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ef o c u s e d ，a n dt h e i r a p p l i c a t i o n s 矗r eb e e d m i n gw i d e ra n dw i d e i f 研e x a m p l e ，b o t ht h ee a s ( e l e c t r o n k a n i d es u r v e i l l a n c e ) s y s t e ma n dt h er f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t 讯c a t i o n ) s y s t e m n e e dh 蛐e 虢c t i v et h es h o n m g er a d i oc o m m u n i c a t i o na n t e n n a t h en f c ( n e a r f i e l dc o m m u n i c a t j o n ) t e c h n o l o g yr a i s e di nt h e s ey e a r se v e nd e v e l o p e dn e ww o r l do f s h o n r a n g er a d i oc o m m u n i c a t i o na n t e n n ar e s e 盯c h t 1 l i sp 印e rs t u d i e dt h ed e s i g np r i i l c i p 王ea n di m p e d a n c em e a s u r c m e n tm e t h o do f r f i d ( 1 5 6 9 3s t a j l d a f d ) a n t e 皿a t h ee 位c t so fd i f f e r e n tp a m m e t e f so nt h ea i l t e n n a p e d b m a n c ea r ea n a l y z e di n 也ep a p e lt h ep a p e ra l s od e s i 驴e da i i ds t i m u l a t e da m a t c h i n gc i r c u i to fm ea n t e n n a d u r i n gt h et e s tp r o c e s s ，a ni m p m v e ds c h e m ew a s p r 叩o s e d i nt h en e wd e s i g n s e v e r a lf i x e dt e s tp o j n t so nat m n s m i s s i o nl i n e a f e c h o s e ni n s t e a do fp r e v i o u s l y 骶q u e n c ys c a n n i n g w eh a v e m p o s e da na u t o m a t i c t e s ts y s t e m t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t l l o di ss i m p l ea i l de a s yf o r a n t e n n ai m p e d a n c em e a s u r e m e n t sw i t h o u te x p e n s i v es p e c i a lm e a s u r i n gi n s t m m e n t s f i n a l ly t h ep a p e ra n a l y z e dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t h er e a s o n sw h yt h ee r r o r s a p p e a r e di nt h i sm e t h o d ，孤dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sw e r ed i s c u s s e d k e y w o i d s ： r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ； n f c ( n e a r f i e l d c o m m u n j c a t i o n ) ；l m p e d a n c em e a s u r i n g ；a n t e n n ad e s j g n ； s m i t hc h a r t 郑重声明 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：海蟹 翮年f 月冬只 i 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 在电子通信设备中，天线是不可缺少的重要环节之一。从本质上讲，天线是 能量转换装置，其周围的电磁场强分布可视为空间坐标的函数。根据接收点离开 天线距离的不同，通常将天线周围的场区划分为：感应场区、辐射近场区和辐射 远场区。 一、感应场区 感应场区是指很靠近天线的区域。在这个场区里，占优势的感应场的电场和 磁场相位差为9 0 度，波印廷矢量为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场 能量相互交替地贮存于天线附近的空间内。如图1 1 ( a ) 所示为电尺寸小的偶极子 天线，其感应场区的外边界是x 陀p ，x 是工作波长。感应场随离开天线距离的增 加而极快衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了。图1 1 ( b ) 所 示为电尺寸大的孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区。 ( a ) 电小天线 射j 为i 湛垧1 ( b ) 孔释大线 幽1 - 1 大线周阐场区划分 二、辐射近场区 辐射近场区里的方向图与离丌天线的距离有关。即在不同距离处的天线方向 图是不同的。这是因为：由天线各辐射元所建立的场的柏对相位关系是随距离 而变的；这些场的相对振幅也随距离而变。在辐射近场区的内边界处f 即感应 场区的外边界处) ，天线方向图是一个主瓣和副瓣难分的起伏包络。随着离丌天 乏套堑吏 。二= 一。一 兰亟鹾 第1 章绪论 线距离的增加，直到靠近远场辐射区时，天线方向图的主瓣和副瓣才明显形成， 但零点电平和副瓣电平均较高。辐射近场区的外边界按通用标准规定为： ，。堡) a 、 式中r 是观察点到天线的距离，d 是天线孔径的最大尺寸。 三、辐射远场区 辐射近场区的外边就是辐射远场区。这个区域罩的特点是：场的大小与离 开天线的距离成反比；场的方向图与离开天线的距离无关；方向图主瓣、副 瓣和零值点已全部形成。辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性 所包括各参数的测量均需在辐射远场区内进行。 尽管天线理论主要是基于对远场的研究，但是在网络及通信技术的飞速发展 的今天，人们对无线通信的要求越来越高，近距无线技术正在成为关注的焦点， 应用场合也在不断扩大，已经是我们身边不可或缺的重要传播媒介。例如，许多 电子安检设备，如e a s ( 商品防窃检测) 、r f i d ( 射频识别) 读写设备等，都要应用 高效的近场通信天线。近年来兴起的n f c 技术( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 更开辟 了近场天线研究的新天地。 由于r f i d 技术具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签 上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息更改自如等优点，已经得到了广泛 的应用，主要可以用于以下几个方面：物流、供应链应用；身份鉴别、防伪监管： 道路收费系统、交通调度；近距离设备互联；后勤服务等其他应用，还可以将其 用于动物饲养、追踪，电子收费系统，抄表系统等。 1 2 国内外研究现状 r f i d 技术所使用的频段为5 0 k h z 一5 8 g h z ，没有全球范围内的通用标准。 各系列标准的应用范围也有较大差异。 在国外，r f i d 有众多的丌发商、制造商、行销商加入，用户对其需求也比 较旺盛。由于r f i d 技术的特点，使其具有巨大便利性，必然成为未来的发展方 向。r f i d 在最近几年柬彳i 断取得的实质性技术进步促使其显露 h 极大的商业价 值，引起i t 巨头们纷纷角逐于这领域，而它们之问的竞争存最近愈显激烈。 第1 章绪论 而且r f i d 的应用仍在层出不穷，一种源于无接触识别和互联技术的近场通信技 术f n f c l 正在悄然兴起，n f c 技术由飞利浦和索尼共同研制开发，它在识别和连 通性市场开辟了全新的和独特的领域。专家预计2 叭0 年前r f i d 市场将增长 2 5 5 ，全球市场将达3 0 0 0 亿美元。 飞利浦半导体执行副总裁i n d r om u k e i j e e 预言，r f l d 技术将成为最2 l 世纪 流行的感官“电子智能( e l e c t r o n i c b a s e di n t e l l i g e n c e ) ”技术。它将机器、货物与 人联系在一起，使生活越来越方便。他表示，各国政策制定者需要参考支持者与 反对者双方的意见，从而使r f l d 技术带来的巨大社会利益与随之而来的问题相 互平衡。m u k e i j e e 还表示，飞利浦将会继续推动r f i d 技术在近场通信( n f q 方 面的应用。r f i d 有望能够简化一些复杂接口问题，例如，蓝牙拍照手机和电视 配套。此外，到2 0 0 6 年n f c 和其他无线技术的融合将会以模块的形式出现。 r f i d 技术作为一种新兴的自动识别技术，在国内也倍受关注，各大学和科 研院所都投入较大花费进行相关研究。政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划 极大地推动了国民经济信息化的进程，由此各种自动识别技术的应用也得到迅猛 发展。得到了广泛应用，如在物流跟踪，高速公路收费，产品防伪，电子门票， 车票，身份识别等领域已经得到初步的应用。值得特别指出的是，我国的第二代 身份证采用的即是r f i d 技术。 r f i d 具体应用的关键在于r f i d 天线的特点和性能。r f i d 天线主要有线圈 型、微带贴片型和偶极子型3 种基本形式。其中，小于1 m 的近距离应用系统的 r f i d 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频段。 而大于1 m 的远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的r f i d 天线， 它们工作在高频及微波频段。它们的工作原理是不同的。本文主要研究线圈型 r f i d ( 1 5 6 9 3 标准) 天线的设计及阻抗测量。 1 3 课题来源及主要研究内容 本文是郑州大学信息工程学院和深圳普诺码商业安仝设备有限公司合作的 一个横向课题，项目资金来源于深圳普诺码安全设备有限公司。论文共分为分为 六个章肖： 第1 章绪论。介绍了课题研究的背景、幽内外的研究现状及本文主要的研 第1 章绪论 究内容。 第2 章射频识别f r f i d ) 系统天线设计及阻抗测量方法的理论基础。主要介 绍了环形天线理论、天线的谐振理论和传输线理论。 第3 章射频识别限f i d ) 系统天线的设计。主要介绍了天线几何尺寸、q 值 及电感等参数的确定，对天线的匹配电路进行了设计和仿真，并分析和仿真了天 线元件对其性能的影响，最后介绍了传输线变压器匹配天线。 第4 章近场通信天线阻抗的传输线多点测量方法。主要介绍了天线阻抗测 量的一般方法：测量线法和扫频长线法，安捷伦网络分析仅4 3 9 6 b 的工作原理， 传输线多点测量方法的基本原理及参数推导。 第5 章测量系统。本章主要介绍了测量系统的硬件结构和软件设计，测量 了5 0 欧电阻和r f i d 天线的阻抗，分析了测量结果和造成误差的原因，并给出 了解决办法。 第6 章结束语。总结本文所做的工作和取得的成绩，并提出了有待进一步 研究和解决的问题。 蔓! 至盟塑望型( 垦旦望2 墨堑菱垡丝盐垦堕亟型堇查鲨塑堡鲨蕉型 第2 章射频识别( r f i d ) 系统天线设计及阻 抗测量方法的理论基础 由于环形天线是一种最适合产生给无源标签提供磁场能量的天线，所以这卑 先介绍一下环形天线理论。 2 1 环形天线理论 环形天线中的电流，产生磁场强度为的百的磁场，磁场强度后的大小是由离 天线距离大小决定的。天线中的电流变化产生如图2 1 所示的磁力线。 一、感应磁场的计算1 图2 1 导体同路周隔的磁力线路径 毕奥一沙瓦定律：云。肛。正 1 1 d s 。g r n d r 百i f 。 在天线的轴方向( r ) 上的磁感应场强度为： b 确唑 2 - 俾二+ 工2 ) 恐 ( 2 - 1 ) 其中，r 为环形天线半径，。为天线的匝数，为天线中的电流。式( 2 1 ) 的边界条件是：d = r 而联均。当x 为零时曰铂，筹；对h ，月，曰一专。 距边长为a 和b 的矩形导体回路x 处的场强可用下式计算 曰i o 1 1 口6 瓴两 ( 2 2 ) 二、互感m 的计算 当环形天线l l 附近有另外的环形天线l 2 时，将会产生互感，如图2 - 2 所示。 图2 2 两个线圈的部分磁通量耦合产生互感量m 由m ：华；坠竽，得m 嗍去- l _ 2 吐，其中_ ，1 ，1 2 限2 + x 2 1 乃 1 。1 为上，的电流，为l 。的匝数，爿，为工。的面积；，：为上：的电流，：为三：的匝数， 4 ：为l ：的面积。 2 2 谐振理论 遗 一 萨 望；童盟塑望型f 曼望堡) 丕堕丕垡丝生垦堕亟型量直生盟堡堡蕉壁 ( z b ) 等于容抗值( x 岛) 时就达到了谐振。它们的关系如下： ，。司音 ( 2 - 3 ) 从上面的式子可以看出，对于某个频率，如果天线的电感值过大，那么达到 谐振时的电容值就很小。 2 3 传输线理论 传输线是用来传输电磁能量和信息的各种形式传输系统的总称。 2 3 1 传输线方程及其解【3 1 一、传输线方程 由传输线理论的实质，我们知道均匀传输线可分割成许多小的微元段 d z ( d z ( 1 ) ，所以传输线可等效成无穷多个g 型网络的级联。 图2 4 是传输线上的一个小微元。 v 0 ， 群二拦强1 p 4 ， 掣斗忡也卅c 半掣1 一 笙! 至盟塑堡型f 垦旦婴墨丝丕垡亟盐星堕选型量立鎏笪堡堡堇型 掣一c r + j 冽蛔 掣；一( g + ，以p ( z ) 比 二、传输线方程的解 对传输线方程组即( 2 5 ) 求其通解为： y ( z ) i 爿1 e 一”+ 爿2 e ” 心) 一去( 却卅： ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 其中，y 为电压传播常数，z 。为传输线的特性阻抗，爿。、4 ：为待定常数 其值由传输线的始端或终端的已知条件确定，如图2 所示。 1 、已知传输线终端电压吒和电流，： 幽2 5 传输线的端接条件 此时，将坐标原点d o 选在始端较为适宜，得到的解为： 山1 ：垒垡! e 一+ 竺二! ；墨! e 一声 ，f d l ：遗。一一亟。一， 2 _ 7 2 z o 2 z o 2 、已知传输线始端电压k 和电流，此时，将坐标原点z = 0 选在始端较为 适宜，得到的解为： y ( ：1 ：坠! 缉。一”+ 坠二垫。s ，b ) ；生! ! ! 兰! 。一，一匕二! ! 兰! 。， ( 2 8 ) 2 z o 2 z o 3 、已知传输线的信号源和负载条件 此时已知信号源电动势k 、内阳抗z 。和负载阻抗z ，得剑的解为： 老二蓑彩二= p ， z g + z o1 一r 上k e _ 2 ” 。 ，n 、 m ) 2 彘南( 儿v 一) 热l 一糍，k ；糍。 2 3 2 传输线的特性参量 传输线的特性参量主要包括：特性阻抗、输入阻抗、反射系数、驻波比等。 一、特性阻抗 传输线的特性阻抗定义为传输线上行波的电压与电流之比，用z 。表示。 二、输入阻抗 阻抗是传输线理论中一个很重要的概念，它可用来很方便地分析传输线的工 作状态。传输线终端接负载阻抗z 。时，距离终端z 处向负载方向看去的输入阻 抗定义为该处的电压矿( z ) 与电流j ( z ) 之比。 对于均匀无耗传输线： z 卜鬻筹警- z o 揣p 1 其中z 。为传输线的特性阻抗。 三、反射系数 1 、传输线上某点的反射系数定义为该点的反射波电压( 或电流) 与入射波 电压( 或电流) 之比，通常采用便于测量的电压反射系数，反射系数可变换为： 删) 一缓e 刮* 叫 ! 剐 ( 2 _ 1 1 ) 式中t ：等：f 筹b ：肼嗨为嫦反射系数。 z + z ( jl z + z o l 。 箜! 童壁塑塑型f 墨旦旦2 墨丝丕垡堡生垦堕垫型量查鲨盟望堡堇型 2 、输入阻抗与反射糸数1 日j 的关糸 引炉高粼吃嵩，或枷) = 筹息。 结果表明，当传输线的特性阻抗z 。一定时，传输线上任意一点d 处的阻抗 z 。0 ) 与该点的反射系数r 0 ) 一一对应。负载阻抗与终端反射系数的关系： 弘z 。等或者r 糍。 四、驻波参量 1 、驻波比 电压( 或电流) 驻波比p 定义为传输线上电压( 或电流) 的最大值与最小值之 比眠p 一锫= 鼯。 2 、阻抗与驻波参量的关系 由( 2 一l o ) 式可得： 弘z 。警溺蓑 p 均 传输线终端的负载阻抗z 。和驻波节点到负载的距离z 。及驻波比的关系为： z 。= z 。享互挚，据此，z 。可以通过直接测量p 和z m 来确定。 ”p 一，t g 卢z 。m 。 2 3 3 均匀无耗传输线工作状态的分析 对于均匀无耗传输线，传输线的工作状态一般分为三种 ( 1 ) 行波状态：i r l = o ，p = 1 ，k = l ； ( 2 ) 驻波状态：j l l = o ，p = 。，k = o ： ( 3 ) 行驻波状态：oc i r ，jc 1 ，1c pc 。，o c kc 1 。 、行波状态( 无反射情2 0 ) 的特点 笪! 童壁塑堡型( 垦旦旦2 墨丝玉垡塑盐垦坚煎型量查选蝗堡适量型 1 、线上电压和电流的振幅恒定不变； 2 、电压行波与电流行波同相，它们的相位是位置z 和时间f 的函数； 3 、线上的输入阻抗处处相等，且均等于特性阻抗。 二、驻波状态( 全反射情况) 特点 1 、电压、电流的振幅是位置的函数，具有固定不变的波节点和波腹点，两 相邻波节点之问的距离为a ，2 ； 2 、沿线各点的电压和电流随时间和位置变化都有玎2 相位差，所以线上既 不能传输能量也不能消耗能量； 3 、电压或电流波节点两侧各点相位相反，相邻两节点之问各点相位相同； 4 、传输线的相邻阻抗为纯电抗，且随频率和长度变化。 三、行驻波状态( 部分反射情况) 特点 1 、沿线电压、电流分布 黼枞篇篇高膦= 一崛 电流分布特点为： ( 1 ) 、沿线电压电流呈非正弦周期分布； ( 2 ) 、在d = 等+ h 害，o - o 1 ，2 ，) 处，电压振幅为最大值( 波腹) ，电流振幅 为最小值( 波节) ，即m 。；= i 嘭忙+ l l j ) ，l ，乙= ( 1 一l t i ) ； ( 3 ) 、在d = 等+ ( 2 ”+ 1 ) 三，n ；0 ) 1 ，2 ，) 处，电压振幅为最小值( 波节) ，电 流振幅为最大值( 波腹) ，即m 。；。= f 陋一ir ，1 ) ，i ，l = i j ：陋+ i r l ) ： ( 4 ) 、电压或电流的波腹点与波节点相距a 4 。 2 、沿线阻抗分布 线上任 僦的输入阻抗为毛g ) 互z 0 鬻哦( z ) + 它 具有如f 特点： ( 1 ) 、1 5 抗的数值周期性变化，在电压的波腹点和波节点，阻抗分别为最大值 和最小值： 喇黔铬- z o 哿= z o p 删耠融一z o 鞠= 鲁。 ( 2 ) 、每隔州4 ，阻抗性质变换一次；每隔州2 ，阻抗值重复一次。 2 4 本章小结 本章介绍了环形天线理论、谐振理论和传输线理论，它们是线圈型 r f i d ( 1 5 6 9 3 标准) 天线设计和阻抗的传输线多点测量方法的理论基础。 第3 章射频识别( r f i d ) 系统天线的设计 3 1 参数的确定 天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的质 量，天线的性能主要取决于天线的参数，而天线最主要的参数是天线的阻抗和品质 因数q 。因此，在选择天线时必须首先注重其性能，具体说有两个方面，第一选择 天线的大小和形状；第二选择天线的电气性能川。 一、天线的制作材料 r f i d ( 1 5 6 9 3 标准) 天线几乎可以用任何导电材料制作，比如用铜或铝带都会 得到较好的效果，它们都起谐振电感的作用。 二、影响天线性能的因素 天线设计的主要目的，是设计出能在预定的读写距离内，提供非接触式i c 卡工作所需能量的天线。但是在实际的设计过程中，诸多的环境因素会对天线的 性能造成很大的影响。主要有以下几点： 1 、余属影响 金属在天线的磁场里产生蜗旋电流，改变天线的磁场，导致传输距离的减小 或在读写范围内没有数据传输。 2 、附近天线的影响 当一个天线放在读写器天线旁边并且调至频率相同时，这个天线就从周围的 场消耗能量，造成天线的能量损耗和失睹。 3 、温度 天线和匹配电路元器件的电参数的温漂也可能造成读写天线的失谐。 3 1 1 天线半径的确定 读写器天线半径尺是根据读写距离x 确定的，一个r f l d 系统所能读写射频 标签的距离取决于读写器灭线的尺寸和它产生的场强人小。 墨! 童盟墅塑型堡旦婴墨丝垂垡盟垦盐 图3 1 半径随磁场强度距离变化图3 - 2 磁场强度h 随天线半径r 变化 图3 1 给出不同天线半径的场强曲线，图3 2 给出了给定距离x 时，电磁场 强度h 随天线半径r 变化的情况。由图3 1 可以看出，在距离天线很近的情况下， 尺寸小的天线在其中心( 距离为o ) 处呈现出较高的场强，而半径较大的天线在远 距离( x ) r ) 处的场强较大。 在环形天线的轴方向( x ) 上的磁感应场强度为( 2 一1 ) 式，但是这个式子只适合 于近场( 工s 3 米) 。一般情况下要求距离x 是不变的，由式( 2 1 ) 可以推导出当半径 月等于距离茗时，磁场强度最大，如图3 2 。当然不能为了追求太远的作用距离 而一味地增加天线尺寸，因为随着天线尺寸的增大会出现，将会出现信噪比降低； 在某些情况下必须要用屏蔽措施；可能出现磁通量漏洞现象以致读写标签突然停 止等现象，使天线的匹配变的十分困难。 根据i s o i e c1 5 6 9 3 标准，射频标签的工作场强范围： h 。i 。= o 1 s 4 m ，= 5 _ ，m ，载波频率f = 1 3 5 6 m 拓7 船话。 由b = 口。h ，磁场常数。= 缸1 0 7 可知，场强最大值x = 0 时，即 h ( o ) ：蜷s5 似，柳) ，由此可以得出天线系统的最大安培一匝数( f 。) ， 2 ( r ) “ 同时可求得满足最小场强的安培一匝数。经计算天线最优半径r 和阅读范围x 的 关系为：只：i 。 实际天线尺j 还需要综合考虑射频标签的询问场强( 即工作时需要的最小场 强h ) ，这个场强只有在读写器和射频标签的谐振频率致时j 为最小值，通过 实验的方式来得到。 矩形导体回路或线圈经常作为发送天线的形式，边长为a 和b 的甜i 形导体回 4 蔓i童堑塑堡型f曼旦望!墨丝墨塑堕堡生一 路中沿垂直矩形平面方向的距离为x 处的场强由( 2 2 ) 式计算。在周长相等时，正 方形比矩形效果好，本系统就是用正方形线圈，采用厚3 m m 、宽3 0 m m 的铝带 做成5 0 锄x 5 0 c m 的方环形天线。 天线线圈的电感值可以由测量得到，也可以由( 3 - 1 ) 式计算出来： 2 上= o 0 4 7 洲2 l o g l o ( 兰) 一l o g l o ( 2 4 1 4 口) + o 0 2 0 3 ： o 9 1 4 + 【些箜( f + w ) 】 其中：l 是天线线圈的电感( 肼) ，为天线线圈的匝数，n 为天线线圈的 边长( 跏拍) ，f 为铝带的厚度( 加幽) ，w 为铝带的宽度( f n 幽) 。( 3 - 1 ) 式计算出的只 是线圈电感的近似值，在实际应用中应有一定的容差，如1 0 。 3 1 2q 值的确定 一个电感耦合r f i d 系统天线的性能与它的o 值有很大关系。般来说，对 于一定尺寸的天线，高q 值在天线线圈中产生高的电流，会提高传输功率，但 太高的o 值与读写器的带宽矛盾。一般情况下，大多数系统的最佳品质因数为 1 0 3 0 ，最大不能超过6 0 。 图3 3 是天线的品质因数与频带的关系。 ? j ? ” 天衫 、 剀3 3 犬线的 质冈数o 频带n 勺天系 蔓i 蔓墅塑堡型( 墨盟旦2 丕笙壅垡堕堡生 线圈天线的品质因数o 和它的电感l 以及并联等效电阻r p a r 有关，如图3 - 4 所示。 在谐振时要想计算出总的并联等效电阻和在没有精密仪器的情况下测出来 它的值都是非常困难的。这里采用先假定一个q 值，再倒推出这个并联等效电 阻的方法，就比较简单了。 天线的并联等效电阻，和q 值的关系： r 。，- 2 ，犯q( 3 2 ) 此外还有两个因素制约读写器天线电路系统的q 值提高。 1 、q 值过大的话将产生过高的电压，这样容易导致天线线圈或谐振电容绝缘 材料击穿。 2 、q 值过大的话，将导致电路调谐困难，对于元件的精度、稳定性、温度特 性等都提出了比较高的要求。 3 。2 匹配电路 天线可以看作一个谐振回路。个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要 求就是匹配，即和天线相连的电路必须有与天线样的阻抗。和天线相连的足馈 线，馈线的阻抗是确定的，所以我们希望天线的阻抗和馈线一样，j 能达到最大 功率的传输“。 有很多种阻抗匹配的技术，如伽马匹配、t 匹配、传输线变压器匹配和电容 匹配等。其中电容匹配是一种电路最简单、元件体积最小、应用广泛但难以调整 的匹配电路。图3 5 所示为非对称r 型电容匹配电路的原理圈【“。 由天线的谐振理论，当天线达到谐振时，有，= 每一，为了达到谐振频 。2 玎工c 率1 3 5 6 m h z ，谐振电容应为c 。= ：毫，其中= 珂。我们可以通过计算或 测量得到电感l 的值，比如1 3 6 微亨；则天线的谐振电容c 。为： c 腽邕：艺耳瓦i 王瓦五百秀丽志石蕊= 1 0 1 p f 。等效谐振电阻尺a ， l 8 2 石虿4 石i i 瓦五万五丽丽面石五丽丽面2 l u u 。哥舣懵似吧阻“ 也可以由( 3 2 ) 式确定。 由总的谐振电容c 一，可以计算出c 、c z 的值：c z 。c j 等，其中，z 。， 为总的并联等效电阻r 。，z 。= 5 0 q ，c 为总电容c ：c 。z t 丁。 c c 2 图3 6 是该天线的电容匹配示意图。 煳3 6 天线的l b 容匹配示意图 3 3 设计与仿真 确定了天线的参数，就可以对天线进行设计和仿真了”。 3 3 1 天线阻抗匹配电路的结构 在天线的设计过程中，天线与传输线的阻抗匹配是天线性能的关键点。该天 线用到的匹配电路就是3 2 节中介绍的非对称r 型电容匹配电路。如图3 5 所示， 其中a 、b 为5 0 欧姆传输线的输出端，c 。、c ：构成r 型匹配电路，r 。，为环形天 线线圈两端的并联等效电阻，它直接影响天线的q 值。是天线的等效电感。 由谐振理论，电感值不能太大，否则谐振电容值c c 为g 和e 的串联等效电 容1 会太小，使调整更加困难且元件稳定性难以保证，通常值取1 胴左右。 3 3 2 电容匹配电路的工作原理 在图3 - 5 中，从a 端看去，整个天线电路的输入复数阻抗为 回路的谐振频率为，。上 2 兀0 l c 其中c ：盟。 c l + t 回路的品质因数o 为： 月垃。= 玉弘q 其中，月啦。表示整个谐振回路中的等效电阻。 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 在公式( 3 3 ) 中，一2 巧为角频率，= 1 3 5 6 肘m 。的电感值可用电感测 量仪测量；也呵由标准电容与组成谐振回路后，先精确测定谐振频率，然后山 公式( 3 4 ) 反推电感值。d d 方法测量快捷，但误差较大，这手要是因为测试电桥 志工鹇上等面 + 一 + 肚一 胪 r r 一 础 一跳 h k 笙! 童堑塑塑型f 墨旦旦! 墨堑丕垡笪塑生 仪器内部的测试频率与有较大差别，且所测的电感又太小。后一种方法取决于 标准电容的精确度和实验的精细程度，应该准确度更高，但测试步骤相对繁琐， 还需要有高精度信号源和示波器。本文使用的是前一种方法，使用了g w 公司 的l c r 8 1 9 多用测量仪( 可测电感、电容、电阻的多项参数，实践表明测量电感 时的精度约为3 - 5 ) 。r 即。的值可由公式( 3 5 ) 确定。若要天线与传输线匹配，须 使( 3 - 3 ) 式中z m 、的虚部为0 ，实部为5 0 欧，从而反解出c ，、c ：a 3 3 3 天线的s m i t h 圆图仿真 由于以上运算稍嫌繁琐，本文使用史密斯圆图( s m i t hc h a n ) 软件予以辅助设 计l ”。仿真步骤如下： 1 、设定特性阻抗z 0 - 5 0 q ，输入信号频率为1 3 5 6 m 眈； 2 、令负载z 。；o ，o o + o 0 0 j q ，确定起始点1 ： 3 、在z ，上串联电感l ，得到点2 ； 4 、再在上并联电阻旯。，得到点3 ； 5 、再串联电容c 得到点4 ： 6 、最后并联电容c ，得到点5 。 应使点5 位于圆图的中心( 5 0 欧匹配点) 。若点5 不能精确位于圆图中心，则 应微调各元件参数。出圆图的直观性，该调整不难实现。由此，得到如图3 7 所 示的电路参数图和阻抗圆图。图中设为1 o 微亨，又设r ，为6 o k q 。r 阳。和 r ，的区别在于：r ，是并联元件的电阻值：r 。口。是谐振回路的等效电阻值，它 还包含了的材质电阻以及整个储能场造成能量损耗，它是不易直接测定的。很 明显，r ，应大于r 脚。所以这早将尺，设的比r 印。大一些，可以根据经验先 估计一个值，以后，在进一步精确测定谐振旧路的o 值后再对月。加以调整。 星i 童塾塑堡型( 垦旦旦2 丕丝盔垡丝塑生一 2 。= ( 0 0 0 + z = ( s o e l - j 0 0 0 ) q z 0 5 00 0 0 l m m = 35 6 0m h 2 咚夕二乒_ 亍譬。、 j 。 。，一一、。 ，1、 、 纾谶：萋翁 、i。0 一一，一+ ? 0 。罗 、 、 ，7、 j 、卜j 岁 、 一u 。一” r | ?_ ， 、l ，一7 幽3 7 用s m i n l 圆图软件辅助设计匹配电路 由s m i t hc h a n 得到c l = 1 5 1 5 p f ，c 2 = 1 4 9 帆f ，c 1 3 7 5 p f ，由此可以 推算出a b 两点间的等效阻抗为5 0 3 j0 9 欧姆，接近于传输线的阻抗5 0 欧姆， 误差源于元件不可能无限精确。 3 。3 4 从s m i t h 原图看元件对天线性能的影响 匹配电路是否易于调整并且稳定工作，和电路的元件敏感性及元件的稳定性 密切关联。为使电路能稳定工作且不发生参数漂移，需要采用稳定度高的银云母 电容及功率较大的并联电阻。 电路的元件敏感性可由s m i t hc h a n 仿真，图3 - 8 示出各元件的参数值变化 后，天线的阻抗值的变化情况。图中a 线为c 。变化对天线阻抗的影响( 要求其他 参数保持不变) ，线上相邻的两个黑点的元件值变化量为1 ；同理，b 线表示c ： 单独变化对天线阻抗的影响，由于c ，变化1 在圆图上表现不明显，这罩取1 0 ； c 线表示r 。，单独变化对天线阻抗的影响，由于| r ，变化1 在圆图上表现不明 显，这罩也取元件值变化量为1 0 。图3 9 示出频率变化对天线阻抗的影响，相 邻的两个黑点的频率变化值为1 0 0 k h z 。 幽3 8 电阻电容变化对天线阻抗的影响图3 9 频率变化对天线阻抗的影响 3 3 5 天线q 值的调节 r f i d 天线阻抗匹配后，仍然不能保证系统的最佳性能，这是由于天线回路 对o 值亦有较高要求。q 值的测量相对比较简单，它需要一个5 0 欧标准信号源 对带有匹配网络的天线予以激励，同时用示波器观察并测量电感l 两端的电压， 分别找出谐振点频率，0 ( 最大的频点) ，以及两侧o 7 0 7 处的，l 和，：，q 由 式( 3 6 ) 计算。 妒惫 p 。6 ) 调节r 。，可以改变q 值，但同时也会改变天线阻抗，这时需要重新调整匹 配电路。在实际应用中，因为元件的容差、分布参数，系统的参数会发生一定的 变化，应在回路中添加可变的部分，如在振荡回路中并联一个大电阻，以调整网 路的q 值，在c ，并联可变电容，以使刚路达到调谐状态。 3 4 传输线变压器匹配天线p 图3 1 0 给出了非接触传输系统的主要配置。 蔓! 童塾塑堡型巫旦里2 墨丝丕堡堕鲨盐 一 图3 - 1 0 非接触传输系统的主要目e 置 用电容匹配虽然比较简单，但是在高频情况下，天线和地之间不可避免的存 在寄生电容。当有共模噪声存在时就形成如图3 1 0 所示的寄生电流的回路。 一、消除寄生电流的方法 对于一个半径大于1 0 c m 的天线，就不能用普通形式的电屏蔽或电流补偿方 法柬减小寄生电流了。这时，我们用一个平衡非平衡( b a l u n ，巴伦电路) 传输线 变压器来对天线进行匹配，它的作用是隔离元件和匹配负载阻抗。 二、传输线变压器匹配的等效电路”川”1 传输线变压器匹配的等效电路如图3 1 1 所示： l ：p 扎 ：镬7 i ，熙 、f t 图3 1 1 传输线变压器匹配电路 传输线变压器匹配电路包含两部分：匹配变压器和一个平衡非平衡( 巴伦) 转换器，这罩用的是1 ：1 的巴伦转换器。 参数的确定：、测量或计算天线线圈的电感值l ；，计算谐振并联电容 c 。，的值：、确定q 值所需要的衰减电阻r 。，的值。 山前而的仿真，得到谐振时的三= 1 肛h ；c 。，= 1 3 7 5 p f ，实际应用中叮把 亟i 里盟塑塑型( 墨! ! 婴墨堕丕垡塑堡盐 c 。，分成一个固定电容和一个可调电容，以方便对天线的调谐：这罩可根据式( 3 2 ) 算出o = 3 0 时r 。= 2 5 5 6 q 。则变压器的变压系数可根据( 3 7 ) 式可确定。 c 酱 用l 锄j - 式中兰是变压器的变压系数，吃为5 0 欧姆，比如先取m = 2 ，则由( 3 7 ) 式， n t m j 等8 4 ，实际上，绕组的匝数取决于天线的q 值，天线的。值 越高，绕组的匝数就越多，这里取n - 9 。 三、改进匹配电路后的好处 1 、由于系统使用的0 2 4 v 的单电源，存在较大的直流偏置，容易对地形 成寄生电流，而采用变压器匹配的方式后，天线线圈和读写器没有直流的连接， 寄生电流的影响得到明显的改善。 2 、由于变压器只能通过差模信号，不能通过共模信号，所以大大减小了共 模噪声信号的影响，也就大大减小了寄生电流的影响。 3 5 小结 本章介绍了射频识别( r f i d ) 系统天线的参数确定，包括天线形状、材料、几 何尺寸、q 值等：介绍了天线的非对称r 型电容匹配电路，并用计算机对该匹配 电路进行了仿真，分析了元件变化对天线性能的影响：为了消除非对称r 型电容 匹配电路，i 作时产生的寄生电流，本章又介绍了一种改进的天线一传输线变压器 匹配天线，实验证明，这种天线的效果要比非对称r 型电容匹配天线好。 阻抗也是天线的重要参数。天线的输入阻抗与天线类型、材料性质、馈电位 置及周闭环境均有关系。由于天线输入阻抗的计算十分繁杂，因此通过实验测定 天线的输入阻抗具有重要的意义。测得天线的输入阻抗后，便可据此设计合理的 匹配装置，以提高传输效率和降低损耗和噪声。而天线阻抗测量通常需要专剧的 高档精密设备，如安捷伦网络分析仪4 3 9 6 b ，这种仪器虽然准确直观，但是价格 昂贵。本文提出了一种测量近场通信天线阻抗的方法传输线多点测量法。 第4 章近场通信大线阻抗的传输线多点测量立鎏 第4 章近场通信天线阻抗的传输线多点测 量方法 4 1 引言 我们知道，在进行天线的设计时，天线的输入阻抗和传输线的特性阻抗匹配 是至关重要的，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当传输线与 负载不匹配时，传输线上有驻波存在，负载有反射，将会使传输线功率容量降低、 增加传输线的衰减、传输效率降低，还会造成信号失真，甚至因为反射烧坏前级 馈源。故阻抗匹配是天线设计时必须考虑的重要问题之一。 天线的设计离不开对天线参数良好的测量，而在高频频段电路的特性与低 频的特性有显著的不同，它的测量需要借助高档、精密的测量仪器，比如安捷伦 网络分析仪4 3 9 6 b ，但是它的价格非常昂贵，在国内很难得到推广。在缺少这些 仪器的情况下，如何测量是本文的一个重点；在许多实用场合，由于工作频率不 高，( 例如r f i d 天线使用1 3 5 6 m h z ) 也不要求阻抗绝对匹配( 例如，根据技术要 求，v s w r 0 为每次更新的步长。这掣采用负梯度。 经过j 次迭代后，彳、蚤、庐就分：i ；l l 收敛于爿j 、巧、办。 由以上的几组测量值，经过： 0 0 0 次迭代后我们得到：巧= 2 5 7 0 0 ，坷= o 6 9 8 3 ，办一1 9 5 9 0 。即u ；2 5 7 0 0 + 0 6 9 8 3 c o s ( 女f + 1 9 5 9 0 ) 。 程序清睢如下： 1 1 第4 章近场通信天线阻抗的传输线多点测量方法 c l e a r t o = op i + 2 54 + p i 56 p i ，58 + p 泌】； u 0 = 【3 2 7 1 32 5 8 7 61 9 2 1 0 2 1 9 2 83 0 2 7 3 】； 先设定三个未知数的初值 a = 6 ： b = 5 ： c 0 = p “8 ； u = a + b + c o s ( t 0 + c 0 ) f - s u m ( u - u o ) “2 ；梯度迭代法使均方差f 最小 a j = a ； b j - b ； a o j = c 0 ； f o ri = 1 ：3 0 0 0 0 设定迭代次数 g a = 2 + ( a j + b j + c o “t o + a o j ) - u 0 ) ； g a = s u m ( g a ) ； g b = 2 + c o 0 + c o j ) + ( a j + b j + c o 孵0 + c o j ) 一u o ) ； g b = s u m ( g b ) ； g c 0 = 2 b j + ( a j + b j + c o s ( 1 0 + 删) _ u 0 ) + ( _ s i n ( t o + c o j ) ) ； g c 0 = s u m 电c 0 ) a j = a j - 0 0 叭4 9 a ； b j = b j - 0 0 0 1 + g b ； c o j = 删一o 0 0 1 + g c 0 ； e n d a j b j c o j i l = 【1 + p i ：叫1 0 0 ：2 + p i 】； p = a j + b i + c o s ( 1 1 + c o j ) ； p j o t ( t 0 ，u 0 ，o ，t 1 ，p ) ；