（电路与系统专业论文）uhf频段rfid标签天线的设计.pdf

u h f 频段r f i d 标签天线的设计 专业：电路与系统 硕士生：高毅韬 指导老师：龙云亮教授 摘要 本文是以唧频段i 强m 系统为应用背景，研究了在实际的标签天线设计中 遇到的两个问题：标签天线与标签芯片阻抗匹配；标签天线小型化。 基于上面两个问题，本文的主要工作体现在： ( 1 ) 简单介绍了i 强i d 技术的相关知识，说明了i 疆i d 系统的工作原理和分类， 对系统中常用的微带天线进行分析和讨论，并给出了微带天线的工程设计方法。 ( 2 ) 详细分析了7 i d 标签的等效模型，给出了标签天线和标签芯片的匹配原 则并说明在许多实际应用中，它们之间需达到共轭匹配以实现最大功率传输。通 过仿真分析提出了两种实现标签天线和标签芯片阻抗匹配的有效方法：改变天线 馈线结构；添加微带线匹配网络。对于前一种方法，分别从仿真结果和理论分析 给出了其能实现的阻抗匹配范围。对与后者，则借助史密斯圆图和微带线匹配网 路理论，设计仿真出能与i 讧d 标签芯片a 1 阪5 5 9 0 良好匹配的正方形贴片天线， 这种方法更具有普遍性。 ( 3 ) 通过对m i n k o w s k j 分形贴片天线的仿真和进一步分析可知，对正方形微 带贴片天线开h 形槽口能使天线谐振频率下降。并在h 形槽口贴片天线基础上， 通过添加更加复杂的开槽来达到进一步降低天线谐振频率的目的。借助电磁场仿 真工具a 璐以耶s s ，本文设计出一种新结构的正方形微带天线。从仿真结果可 以看出，所设计天线具有较好的尺寸缩减特性。 关键词：r f m 系统；微带天线；标签；阻抗匹配；小型化 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 r f i d 是射频识别技术的英文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 的缩写。它是一 种直接继承了雷达的概念，并由此发展起来的具有革命性的自动识别技术，其基 本原理【l 】是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识 别物体的自动识别。 与条形码对比，i 疆i d 标签具有以下优势【2 】：r f i d 读写器可以同时读取多个 r f i d 电子标签，而且可以写入和存取数据；r f i d 标签的发展趋势是小型化和多 样化，以适应不同产品的需要；标签的使用寿命长，并可以在恶劣的环境下正常 工作；可以重复使用，修改、删除标签内存储的数据，随时更新信息；可以透过 外部材料读取电子标签的数据；数据存储量大，安全性高等。 19 4 8 年哈里斯托克曼( h a 朋呵s t o c k m 孤) 在无线电工程师协会( h l s t i t l 晚o f i d i oe n g i i l e e r s ) 学报上发表的利用能量反射进行通信( c o 加m u 玎i c a t i o nb y m e a i l so f r e n e c t e dp o 、v e r ) 奠定了r f i d 技术的理论基础。随着无线通信和大规 模集成电路的技术发展，r f i d 产品成本逐渐降低，进入了实用化阶段。特别是 i 疆i d 技术在高速运动物体的识别、多目标识别和非接触识别等方面的优势，使 它在制造业、商业、军事、日常生活等领域显示出巨大的发展潜力和应用空间。 射频识别技术在国外发展得很快，并被广泛应用于工业自动化、商业自动化、 交通运输控制管理等众多领域【3 】。如澳大利亚将它的i 心i d 产品用于澳大利亚机 场旅客行李管理中，并发挥了出色的作用；欧共体宣布从1 9 9 7 年开始生产的新 车型必须具有基于r f i d 技术的防盗系统；全球几家大型零售商w 甜m 砥、m e 仃o 、 t e s c o 等为了提高供应链的透明度和效率，相继宣布了各自的r f i d 计划，并得 到了供应商的支持；2 0 0 7 年，惠普推出了r f i d 智能墨盒展示柜，使得能够及时 地对零售店内喷墨打印墨盒进行补货，以提高零售商的销售。 无线射频识别技术已经成为了一个很热门的话题。根据业内人士预测，r f d 技术市场将在未来的五年内在新产品的与服务上带来3 0 至1 0 0 亿美元的商机， 随之而来的还有服务器、资料存储系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务， 唧频段r f i d 标签天线的设计 p 1 偈极子 应答署 图卜2 反射调制式r f i d 系统 与此同时标签的反射功率只会受连接到标签天线的标签负载变化的影响， r f 工d 标签通过改变标签天线的等效负载，以实现将标签需要发送的信息调制到 功率为只的标签反射信号的振幅上。 功率为最的标签反射调制信号经过自由空间衰减后，其中一部分功率为暑1 的 信号被阅读器佳厦罂蘑。型勘嫩羹塑渣汤淘彬缆耀捐| | 身掳磁j 鸳影黎攀鞠习翳霸 委远i 谚殛2 鬻捌雾缵啄唾耀蹭；魁鹭雾蓬言髻剃削孺精筠援湍霎罢： 兰；羹耋耋薹薹雾羹羹蓁薹羹堕萝冀羹冀蓁霾 薹蕙髹薷l i 墓荔黼裂霪臂蝎缨鉴砻攀芬i 囊羹囊雾戮蔫篓錾雾翼筏醍靠静磋雾戆 别雨蓬瞳i 雾淳蠹耋顷佃书目噼勿力瑁这曦翅啦渤臻。嚣毫霎量酾黼寺稳鞠涮 焉绻翼蒿茧藕一磊醵剥婴烈；勘驺羯甜矧靼鞠燮黻醺妮卧。骺黪涟筹托翻涮j 情 况下，包含有电池的射频 标签的作用距离较无电池的射频标签的作用距离要远一些。半无源射频标签中的 电池并不是为射频标签和读写器之间的数据传输提供能量，而是只给射频标签芯 片提供能量，为读写存贮数据服务。远距离系统一般情况下均采用反射调制工作 方式实现射频标签到读写器方向的数据传输。 1 2 3u h f 频段无源r f i d 系统工作原理 本文主要研究9 2 0 删z 9 2 5 删z 频段的反射调制式r f i d 技术，以下所有涉及 “r f i d 术语的地方，如无特殊说明，指的都是此频段的反射调制式r f i d 技术。 u h f 频段无源r f i d 系统工作原理【7 1 如图卜2 所示： 调制后的载波经定向耦合器加载到天线后以功率露发射出去( 定向耦合器作 用是区分强的发射信号和弱的反射信号) ，信号经过空间的传播衰减后到达标签 天线的功率为露，在这部分功率为墨的信号中，一部分信号成为r f i d 标签的反 射信号的载波墨，其余部分功率为( 丑一只) 的信号经过高频整流后提供r f i d 标签工作 第l 章绪论 论分析的真确性。 华南理工大学赖晓铮的博士论文【1 1 】对偶极子加载技术进行了比较深入的介 绍，从理论上解释了弯折线加载和寄生单元加载对偶极子天线阻抗的影响，并通 过实验验证了理论解析与实际结果基本一致。 香港科技大学的c h ih oc h e n g 和r o s sd m u r c h 设计出了一种非对称折叠偶 极子天线，所设计的偶极子天线【1 2 1 的一臂被矩形的电容负载代替，另外一臂折 叠成一个带矩形负载的闭环。它能实现实部较小，虚部较大的阻抗匹配。 d a n i e lm d o b k i n 和y t i k h o v 等人在相关的文献中报道了几种常见的标签 天线，其中d a n i e lm d o b k i n 给出的天线【1 3 】均基于短路枝节的类型，易于实现 天线与标签芯片的阻抗匹配，而y t i k h o v 设计的天线【1 4 】性能对弯曲不敏感。但 是该类天线的天线阻抗的q 值较小，对于一些芯片，无法实现良好的阻抗匹。 为了优化天线的阻抗带宽，以实现更加稳定的标签读写距离，g o o j ok i m 和 y o u c h u n gc h u n g 利用遗传算法对u h fr f i d 微带天线进行最优化设计【1 5 1 ，并从实 验上分析了遗传算法运用在天线的设计上对阻抗带宽优化效果。 s o u m y a j i tm a n d a l 和r a h u ls a r p e s h k a r 通过构造特殊结构的天线【1 6 1 ，使其 效果类似两个谐振电路，从而拓展了天线的阻抗带宽。 h w s o n 等人报道了一种阻抗具有高q 的宽频带标签天线【17 1 ，但由于短路环 的限制，该天线输入阻抗的实部一般来说都比较小。 2 标签天线小型化的研究 由于标签所附物体的尺寸的限制，标签天线的小型化课题也显得非常重要。 对于r f i d 标签天线的小型化问题，国内外的论文主要是基于分形结构的偶 极子或者其变形的研究。n 0 0 ra s n i z am u r a d 等人通过将h i l b e r t 【1 8 】分形结构引 入到r f i d 标签天线的设计中，并且通过仿真和实测，验证了h i l b e r t 分形结构 的弯折天线具有较好的尺寸缩减特性。 a n d r e ys a n d r e n k o 设计出工作在o 9 5 3 g h z 频段，分别基于k o c h 分形和 h i l b e r t 分形的环形天线【例。在小型化的同时，也实现了较大的天线增益。 华南理工大学赖晓铮的博士论文【l l 】中也比较详细分析了基于m i n k o w s k i 分形 贴片天线，并制作了实物，其面积为正方形天线的4 4 ，有很好的尺寸缩减特 性。 7 u h f 频段r f i d 标签天线的设计 3 提高贴在金属表面的标签性能的研究 对于r f i d 系统中金属面的影响【2 0 】【2 1 1 ，l e e n au k k o n e n 在相关的论文中提供 相应的解决方案，从e b g 结构的天线应用出发，进行了应用于r f i d 系统的标签 天线设计。 本文在文献已有结果的基础上开展研究工作，旨在解决r f i d 标签天线的阻 抗匹配和小型化的问题。 1 4 天线设计所用仿真软件介绍 1 4 1a n s o f t 耶s s 软件简介1 2 2 j a n s o f th f s s 是a n s o f t 公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业 化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工 业标准。h f s s 提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有 空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的s 参数和全波电磁场。h f s s 软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量， 如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3 d 图和3 d b 带宽；绘制极化特性，包 括球形场分量、圆极化场分量、l u d w i g 第三定义场分量和轴比。使用h f s s ，可 以计算：基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射闯题；端口特征阻抗和传 输常数；s 参数和相应端口阻抗的归一化s 参数；结构的本征模或谐振解。而且， 由a n s o f th f s s 和a n s o f td e s i g n e r 构成的a n s o f t 高频解决方案，是目前唯一 以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速 而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。本论文主要是利用到了这个软 件的天线设计功能。 1 4 2a n s o f t 职s s 仿真天线的流程 典型的h f s s 软件仿真流程图如图卜3 所示，矩形微带天线仿真例子讲述 a n s o f th f s s 的具体仿真过程。 1 创建天线模型 论文中仿真的天线均为贴片天线，并且所用的馈电方式为侧馈，所以天线模 8 第l 章绪论 型的创建包含有：接地板，介质基片，贴片天线，馈线，馈电端口。各部分具体 尺寸则要根据要设计要求确定。 2 材料设置 主要是对介质基片设置材料，可以选择软件中自带的材料，也可以自己定义。 本论文用到的介质基片是f r 4 ，介电常数是4 4 。 3 设置边界条件和激励 端口和边界的类型有：电壁( p e r f e c te ) 、磁壁( p e r f e c t h ) 、阻抗( i m p e d a n c e ) 、 电阻器( r e s i s t o r ) 、辐射边界( r a d i a t i o nb o u n d a r y ) 、电压源( v o l t a g es o u r c e ) 、 电流源( c u r r e n ts o u r c e ) 等等。而对于仿真的天线，需要设置的边界条件的有 接地板和贴片天线，把它们看作理想的导体，边界条件可以设为电壁。 激励方面，也有很多种类型可以选，一般我们选择 l u m p e d p o r t ，注意在正确设置好积分线后，有一个阻抗设置， 默认为5 0 欧，它的含义就是天线输入端左边传输线的特性阻 抗，一般设置为实数，并且与天线谐振时的电阻接近时能获 得很好的s 1 1 曲线；当此值设置为复数时，仿真出的s 1 1 会有 较大的偏差。 4 设置解答参数 进入设置求解参数菜单，可以对允许迭代误差、自适应 频率和最大迭代次数等进行设置。当然这些值是根据本天线 单元具体情况选定的。迭代误差指的是相邻两次迭代得到的 s 参数的差，越小说明这两次结果越接近，但亦非越小越好， 主要看其变化趋势，即其值随迭代次数逐渐减小，则说明解 是收敛的。若要看整个频段的电参数，需要进行扫频设置。 5 求解该工程 ( 开始 ) ， 创建天线模型 j 材料设置 0 i 设置边界条件和激励 上 设置解答参数 0 求解该工程 0 后处理计算 ， r 结束 、 在菜单栏中点击h f s s a n a l y z e 即可。 图卜3h f s s 仿真天线流程图 6 后处理计算 a n s o f th f s s 提供了强大的后处理功能，它能给出所仿真器件的散射矩阵、 端口特性阻抗、波束立体角、方向系数、辐射效率和最大辐射方向的功率密度。 能对散射矩阵的扫频曲线( s c a t t e r i n gm a t r i xv s f r e q u e n c y ) 、天线方向图 9 第2 章微带贴片天线的分析与设计 2 1 引言 正如前面提到，天线是r f i d 系统中至关重要的装置，r f i d 系统必须通过天 线来发射能量形成电磁场，通过电磁场来对电子标签进行识别。由于微带微带天 线独特的结构和多样化的性能，使它成为r f i d 系统一个理想的选择。 按照微带天线的结构，我们可以把微带天线分为两大类：微带贴片天线和微 带缝隙天线。 常用的微带贴片天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地 板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或者同轴探 针对贴片馈电。当贴片是一个面积单元时，称它为微带天线；当贴片是一个细长 带条，则称为微带振子天线。当然，贴片还可以有其它形状。 微带缝隙天线是把上述接地板刻出窗口，即缝隙，而在介质基片的另一面印 制出微带线带缝隙馈电，缝隙的形状也是多种多样的。 按照微带天线形状分类，可以分为圆形、矩形、环形微带天线等。 按照工作原理分类，则可以分为谐振型( 驻波型) 和非谐振型( 行波型) 微 带天线。谐振型微带天线有特定的谐振尺寸，一般工作在谐振频率附近；而非谐 振型微带天线没有谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。 图2 一l 、图2 2 和图2 3 分别给出了微带贴片天线、微带振子天线和微带缝 隙天线的例子。 图2 1 微带贴片天线 u h f 频段r f i d 标签天线的设计 图2 2 微带振子天线 图2 3 微带缝隙天线 和常用的微带天线相比，微带天线有如下一些优点【2 3 】： 1 体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，并且除了在馈电点处要开出 引线孔外，不破坏载体的机械结构。 2 电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射放下功能可以从边射范 围内调整；易于得到各种极化；特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。 3 能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化整 体的制作和调试，大大降低了成本。 当然和其它天线相比，它也有一些缺点： 1 频带较窄，主要是谐振式微带天线。 2 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波型微带天线， 在匹配负载上有较大的损耗。 3 单个微带天线的功率容量较小。 4 介质基片对天线性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基 片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构 建。 1 4 第2 章微带贴片天线的分析与设计 2 2 微带天线的基本理论 微带天线的辐射情况可以用图2 4 和图2 5 所示的简单结构来说明【2 4 】。这是 一个矩形微带贴片天线，与地板相距几分之一波长。假定电场沿微带结构的宽度 与厚度方向没有变化，则辐射器的电场结构如2 4 所示。电场仅沿约为半波长的 贴片长度方向变化，辐射基本上是由贴片开路边缘场引起的。在两端的场相对地 板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为半波长，所以由法向分量产生 的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量相同，因此合成场增强， 从而使垂直于结构表面方向上的辐射场最强。所以，贴片可以表示为相距a 2 ， 同相激励并向地板以上半空间辐射的两个缝隙，如图2 5 所示。 和其它天线一样，微带天线进行工程设计时，需要对天线的性能参数( 例如 方向图、方向性参数、效率、输入阻抗、极化特性和频带等) 预先估计，这将大 大提高天线研制的质量和效率，降低研制成本。分析微带天线的方法有许多种， 例如传输线法，腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。这些方法互相 补充各有短长。目前出现的各种类型微带天线基本上都可以找到合适的方法进行 理论分析，对于微带天线的设计是十分有利的。 m u n s o n 和d e r n e r y d 【2 5 】的传输线模型可得到适合大多数工程应用的结果，并 且需要的计算量不大。它是将微带天线视为加宽了的终端开路的微带线。这种分 析方法物理概念清晰，计算简单，可以给出有用的工程设计数据，同时可以比较 准确的预计它的辐射特性。图2 6 表示用传输线法分析矩形微带天线的物理模 型。 图2 4 矩形微带天线场分布立体图图2 5 矩形微带天线等效辐射缝隙 u l 频段r f i d 标签天线的设计 传输线法的基本假设是：( 1 ) 微带贴片和接地板构成一段微带传输线，传输 准t e m 波，波的传输方向决定于馈电点。线段长度工九2 ，a ，为准t e m 波的 波长。场在传输方向是驻波分布，而在其垂直方向( 图中的宽度方向) 是常数。 ( 2 ) 传输线的两个开口端( 始端和末端) 等效为两个辐射缝，长为形，宽为厅， 辐射缝口径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上， 即是将开口而向上折转9 0 。，而开口场强随之折转。 图2 6 微带天线传输线法物理模型 的辐射场同有磁流露的磁偶极子的辐射场一样。 厨= 夕2 e = 歹2 厅 ( 2 1 ) 一传输线开口端电压，此电压在x 方向上不变； 目川眠害即州l ( 2 - 2 ) 岛= o j 1 6 第2 章微带贴片天线的分析与设计 式中， ，( 臼，) =s i n ( 警s i n s 们i n ( 竽c o s 臼) 警s i n s 竽c o s 臼 ( 2 3 ) 删，：甓等害s i m 啷争小叫即卅2 1 i 专心洒伊啷l 等8 i 们啷叫q 叫 2 3 矩形微带贴片天线的工程设计 2 3 1 结构和设计要求 矩形微带天线如图2 7 所示。其中与设计有关的参量包括：辐射元长度三， 辐射元宽度形，介质板厚度向，介质板长度三g 和宽度孵，介质的相对介电常 数s ，和损耗正切角t a n 6 。 微带馈线 质基片 图2 7 矩形微带贴片天线示意图 在实际应用中，根据不同的应用和特定的要求，设计出的微带天线应满足所 提出的技术指标，其中包括： 1 中心工作频率及频带宽度。 2 方向特性，即方向性系数d ，增益g 及波束宽度。 3 阻抗特性，一般以天线输入端电压驻波系数小于某一给定的值的频带范 围表示。 哪频段i 球i d 标签天线的设计 4 极化特性，线性极化时往往给定允许的交叉极化电平。 5 机械结构要求，包括最大的安装面积和高度限制、安装条件及对天线防 护盖板的技术要求 6 环境条件下的工作特性，其中包括在给定的振动、冲击、高低温、湿度、 低气压及运输等条件下所必须满足的各项电气和机械性能指标。 7 外部调整手段，这一般是指中心工作频率和输入阻抗的可调性。 2 3 2 设计天线的参量的确定1 2 3 1 1 介质基板的选取 介质基板的选取，即确定基板材料的相对介电常数s ，、介质损耗角正切t a i l 6 和基板厚度办。这些因素直接影响天线的一系列性能指标。 由于工作于主模刀磊，模矩形微带天线贴片长度三约为以2 ，其中t 为介质 内波长。以= 九s 。，九为自由空间波长，s 。为有效介电常数，s 。可以表示为： 巳= 孚+ 孚( t + 豺“2 5 ， 所以，s ，的取值直接影响了天线的尺寸，选用较大的s ，能获得较小的天线尺寸。 但是，介电常数的选取对天线性能的影响是很大的。当介电常数选的过大，天线 的介质损耗将很大，导致天线性能很差；介电常数过小，也很使天线性能恶化。 所以要根据需求选择合适的介电常数的材料。 介质基片的厚度对天线性能的影响也比较大，特别是在高频段，介质基片的 厚度对天线性能的影响将直接导致天线性能的剧烈变化。当介质厚度过大时，微 带线很容易激发表面波，导致微带线的损耗增加，耦合到天线的能量减小：当介 质厚度过小时，将导致微带馈线的导体损耗增加，减小馈入天线的能量，导致整 个天线效率下降、天线性能恶化。另一方面，频带窄是微带天线主要缺点之一， 对矩形微带天线其原因可理解为两个辐射缝隙之间低的传输线特性阻抗 ( 1 1 0 q ) 所致。而办的增大使传输线特性阻抗增大从而使频带变宽。当厚度 西 九1 6 时，坯脓2 的频带宽度的经验公式f 2 6 】为： 1 8 第2 章微带贴片天线的分析与设计 频带( 胞) “厂2 南 ( 2 6 ) 式中的是以g 月2 为单位的频率，办是以英寸为单位的基板厚度。如果厅以毫米 为单位，则有： 频带( 吼) = 5 0 4 厂2 办 ( 2 7 ) 办的增加也能使天线辐射效率增大。因此，在天线设计过程中，应该按照需要不 断调整介质厚度以得到最佳结果。 2 贴片尺寸的确定 在确定介质基板的材料及其厚度办后，应先确定贴片的宽度形。由公式( 2 5 ) 可知，当s ，及办已知时，s 。取决于形，而贴片长度三又取决于g 。形的尺寸影 响着微带天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也就影响着频带宽度和 辐射效率。另外，形的尺寸直接支配着微带天线的总尺寸。在安装尺寸允许的 条件下，形取得适当大一些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当形的尺寸大 宇下式给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变： 形：轰( 孚广 8 ， 2 zl2 其中c 是光速，z 是天线的谐振频率。 矩形微带天线的长度三在理论上取九2 ，但实际上由于边缘场的影响，在设 计三的尺寸时应从a 。2 中减去2 址。即： 三= o 5 九。一2 ( 2 9 ) 其中缸= 。4 1 2 办寒暑苦芸黼，介质内波长以和等效相对介电常数乞 前面已经给出相应的计算公式。 3 基板尺寸的确定， 基板的尺寸，一般于接地板的尺寸是一致的，即图2 7 中的孵和三g 。实 验结果显示，辐射场的口径场集中在辐射边附近很小的区域内，介质的过多向外 延伸对这种场分布没有明显的影响。在较低频段工作时，从减小天线重量及安装 面积和降低成本着眼，粥和三g 的尺寸应尽可能小，实验表明沿辐射元各边向 1 9 u h f 频段r f i d 标签天线的设计 外延伸九1 0 就可以了。因此，对于背馈情况可取： 三g = 三+ o 2 a 。 ( 2 1 0 ) 嬲= 形+ 0 2 a 。 ( 2 1 1 ) 对于侧馈情况，孵= 形+ o 2 丸，而三g 则视馈线及阻抗变换器的配置而定。 4 馈电方式的确定及阻抗匹配 微带天线的馈电方式的选取是非常重要的【2 7 】，因为馈电方式的选取和具体馈 线的设计( 包括馈电点，馈电阻抗变换等) 直接关系到天线的输入阻抗，从而影 响到天线与传输线的匹配程度。微带天线的馈电方式包括：微带线共面馈电( 侧 馈) 、同轴线馈电和电磁耦合型馈电。 1 ) 微带线共面馈电，是最常用的馈电方法，既经济又简单，但馈线本身的 辐射会导致交叉极化和旁瓣电平的升高。因此，要求馈线宽度远小于九。几 种馈电方式如图2 8 所示。图( b ) 中微带线通过间隙g 深入贴片内部，以获得 比边缘处低的所需阻抗。图( c ) 和( d ) 都是通过间隙来馈电，选择间隙大小， 可在宽范围上实现阻抗匹配。图( e ) 和( f ) 为两种微带线侧耦合方式。图( e ) 为直接耦合，线长往往取为a 。2 ，但也可以改变线长以便变换阻抗；图( f ) 为 电容耦合，但耦合量不大，带宽较窄。 = = = = = 二二= 二 ( f ) 图2 8 微带线共面馈电方式 第2 章微带贴片天线的分析与设计 2 ) 用同轴线馈电时，其外导体与接地板相连，内导体穿过接地板上的小孔 及基片介质，连接到贴片上。因此其优点是：馈点可选在贴片内任意所需位置， 便于匹配；同轴电缆置于接地板下方，不会干扰天线面的辐射。缺点是结构不便 于集成，制作麻烦。 这样馈电时，天线输入阻抗除了由内腔主模引起的阻抗乙处，还包括由高阶 模引起的探针电抗五，即乙= 乙+ 成。直径蟊的探针电抗计算公式口8 1 为： 托：罢留华1 i l 当警 ( 2 _ 1 2 ) 0 r 冗d 0 0 r 当基片很厚时，探针感抗很大。为此需要加一个电容间隙来调谐。图2 9 为一种 设计。 泡沫材料 接地板 图2 9 同轴馈电的多层微带天线元 3 ) 电磁耦合型馈电结构的共同特征是贴近式( 五接触) 馈电，因此便于层 间连接，这对于多层阵是特别有意义的并由于馈线较接近地板而减小了馈电网络 的辐射干扰；同时，贴片与接地板的间隔可以大些，从而获得较宽的频带。 电磁耦合型馈电又包括两种具体馈电方式：如图2 1 0 ( a ) 所示的通过微带 线对贴片电磁耦合的结构和如图2 1 0 ( b ) 所示的通过一个公共口径( 矩形缝隙 或小圆孔等) 来形成馈线与贴片之间的耦合。 2 l 唧频段r f i d 标签天线的设计 ( a ) ( a ) 微带线电磁耦合( b ) 口径耦合 图2 1 0 电磁耦合型馈电的微带贴片天线 地板 天线的方向性系数定义为最大辐射方向上的辐射功率密度与平均辐射功率 密度之比。 将矩形微带天线看作一段传输线分开的两个缝隙所构成，其中一个缝隙的方 向性系数可表示为： q ：避学：箐 d l = 兰了一= 二 ( 2 1 3 ) 1 p ，( 4 万，2 )厶九2 式中 ，：c r s i i l 2 ( 塑垡业) t a i l ：9 s i l l p 硼 ( 2 一1 4 ) 由 、 ，) 因此，间隔为三的两个缝隙的微带贴片天线的方向性系数为： d ：三生 ( 2 一1 5 ) 式中自：为归一化互导，可由下式求出： ，s i n 2 ( 华c 。s p ) t a n 2p s i n ( 孚s i l l p ) 岛：= 击，f r 玉1 ；l l 一日 ( 2 _ 1 6 ) 第2 章微带贴片天线的分析与设计 上式中g 1 为单缝的辐射电导，厶o ) 是以x 为变量的零阶贝塞尔函数。 而天线的增益g 为方向性系数与效率的乘积，即 g = 叩d ( 2 1 7 ) 上式的天线效率 叩：_ = 了妥1 0 0 ( 2 1 8 ) 叩2 z i - = 赢1 0 0 2 1 8 式中，g ，、q 和g c 分别为辐射电导、介质电导和导体电导。 6 频带宽度 频带窄是微带天线的主要缺陷之一。线极化微带天线输入阻抗对频率的敏感 性远甚于方向特性对频率的敏感性。因此天线的频带往往以输入电压驻波系数 ( 飚凇) 值小于某给定值的频率范围b 矿来表示，若雅脓给定的值为s ，则 飚脓 s 的b 矿为： b 形：三!( 2 一1 9 ) g s 其中q 为天线的总品质因数。通常天线的绋值近似等于天线辐射损耗的q 值， 即 鳞盼华 ( 2 - 2 。) 通常绋= 1 0 1 0 0 ，所以微带天线带宽约为o 7 7 ，可见是窄频带天线。 介电常数和基片厚度对带宽的影响很大。s ，越大，办越小，则鳞值愈高，则谐 振特性愈尖锐，故频带愈窄。因此，基片材料和厚度的选取，应考虑天线频带的 具体要求。 2 4 矩形微带贴片天线的仿真与分析 作为下面章节的准备，本节根据前面的矩形微带天线的设计的一些基本理 论，设计谐振频率为9 2 0 m 毖9 2 5 肱眈的矩形微带天线。由于本设计可以为以 下章节设计的r f i d 标签天线作比较，所以许多参数的选取都与r f i d 标签天线实 咖频段r f i d 标签天线的设计 际应用选用的参数接近。 对于微带天线，谐振频率是一个很重要的概念，即当天线的输入阻抗为实数 时，天线发生了谐振。特别是对于连接在特性阻抗为5 0 q 的传输线后的微带天线， 最希望天线的工作于谐振频率，并且输入阻抗也为5 0 q ，这样就可以实现很好的 匹配，实现功率的最大传输。当然，这种情况对于r f i d 标签天线的设计往往是 不适用的，因为与标签天线相连的标签芯片一般为复阻抗，若要实现标签天线和 标签芯片的直接匹配，天线的设置也就不能工作在谐振频率上了，这种情况会在 后面的论文的r f i d 标签天线与芯片匹配相关的章节给出说明和研究。 因为信息产业部发出了关于发布8 0 0 一9 0 0 m 阮频段射频识别( r f i d ) 技术 应用试行规定的通知中，我国8 0 0 9 0 0 比磁频段射频识别( r f i d ) 技术的具 体使用频率为8 4 0 8 4 5 m 眈和9 2 0 9 2 5 必阮发射功率为2 形( e 足尸) 。所以此标签 设置在这个频段方便可以对后面研究做一定的参考。 考虑到对天线尺寸和体积重量等方面的影响，r f i d 标签天线一般选取f r 4 作 为介质基板的材料，这种材料的相对介电常数s ，= 4 4 。另外设计的此天线的介 质厚度办= 1 6 m 坍。 根据式子( 2 8 ) 确定最大可取的贴片宽度矿= 9 9 2 柳聊。这里我们取 矿= 9 8 肌肌 根据( 2 5 ) 式，有效介电常数。= 4 2 8 根据以= 九s 。可得，t = 1 5 7 6 脚聊 等效伸长址= o 7 4 m 朋 所以，根据( 2 9 ) 式，三7 6 6 聊聊 最后，由( 2 一1 0 ) 、( 2 1 1 ) 可以得到接地板和介质的尺寸，耽= 1 1 0 脚肌， 形g = 1 3 0 聊聊 图2 1 1 为使用a n s o f th f s s 仿真的天线的建模，图2 1 2 为设计天线的反射 系数s l l 的仿真结果。 第2 章微带贴片天线的分析与设计 z 图2 1 1a n s o f th f s s 天线的仿真建模图形 、 。、 f 广 h f 图2 1 2 矩形微带天线的反射系数s 1 1 仿真曲线图 由图2 1 2 可知道，所设计的天线谐振于9 2 0 朋恐，在谐振点，天线的反射系 数s 1 1 = 一2 5 船，输入阻抗约为1 5 q ，一1 0 抛带宽为2 0 m 眈。 盒c口盈盘i=jllco艮厶u-=一一一蕾口 第3 章r f i d 标签天线的阻抗匹配设计 3 1 引言 r f i d 标签天线的阻抗匹配设计是r f i d 系统研究的一个很重要的部分，因为 标签天线与标签芯片的阻抗匹配好坏直接影响到标签芯片所能获得的能量情况， 从而影响了标签的读写距离。所以，为了获得最大的功率传输，与天线相连的标 签芯片输入阻抗必须与标签天线输入阻抗共轭匹配。同时，正如前面所提到的， 标签芯片的阻抗一般表现为容性复阻抗，并且常常是实部不大( 几十欧) ，虚部 较大( 几百欧) ，这与普通天线输入阻抗设置为5 0 q 或者7 5 q 不同。在u h f 频段， 通过添加匹配网络的方法实现标签天线与标签芯片的阻抗匹配，从成本和物理尺 寸来说都是不现实的。 为了解决这个问题，本章重点分析了r f i d 标签天线与标签芯片的阻抗匹配 理论，并在此基础上，设计出与一般标签芯片阻抗匹配的微带天线，通过仿真分 析来验证设计的天线的有效性。本章还通过对r f i d 阅读器和天线之间的传输模 型做一定的介绍，并给出了相应的实际例子。 3 2r f i d 标签天线与标签芯片的阻抗匹配理论 标签的一个最重要的性能指标就是识别距离，所谓识别距离就是r f i d 读写 器与标签之间读写器能够检测到来自标签的反向散射信号的最大距离。相比较而 言，读写器一般具有较高的灵敏度，识别距离主要由标签的性能决定。特别对于 无源标签，由于维持和激励标签工作的能量来自所捕获的来自读写器的射频能 量，标签天线与芯片的匹配情况直接影响到标签电路能否正常运转和芯片是否具 有足够的能量进行反向散射通讯，进而影响到识别距离远近。 r f i d 标签的集总参数等效电路【9 】如图3 1 所示。图中乙= 足+ 为标签芯 片的复阻抗，乙= 兄+ 代表标签天线的复阻抗。圪代表接收天线终端形成的 r f 开路电压。在实际的r f i d 标签中，标签芯片阻抗一般表现为容性，标签天线 2 7 u l 妤频段r f i d 标签天线的设计 阻抗表现为感性。乙和乙的大小与天线的频率有关。另外，标签芯片的阻抗z c 会随着进入芯片功率变化而变化【2 9 】。在本论文中，为了简单起见，我们就不考虑 这两种情况造成的影响。 标签天线 标签芯片 r 一一 l l i ： l l 1 一一 i l i z c ： i i i 图3 1r f i d 标签等效电路 定义复功率波反射系数为s ： s ：孕军 ( 3 1 ) z c + z 4 所以，功率反射系数 ： 夸，半： 一1 夸歹半： + 1 砂= 扣半磊乞为归一伽抗删 h 2 = i 嘉1 2 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 这样，就可以用传统的史密斯圆图来描述天线与芯片的阻抗匹配问题1 0 1 ，如 图3 2 所示，即乞的实部与虚部如一般的归一化阻抗在圆图上的标示。乞的各个 归一化阻抗点所在的位置到圆心的距离为复功率波反射系数s 的大小，而各个归 一化阻抗所在位置到圆心为等距离的阻抗点轨迹组成了同心圆，为等功率反射 第3 章i 疆d 标签天线的阻抗匹配设计 圆。圆心点为阻抗理想共轭匹配点( 乙= 乙) ，最边缘的同心圆( 奸= 1 ) 代表 完全失配情况。 功率反射系数奸就可以很容易从史密斯圆图中的圆点到阻抗点 ( 疋+ ( 五+ 咒) ) 之间距离的平方得到。 图3 2 复功率反射系数s 映射到归一化的史密斯圆图 下面我们研究读写器与标签天线之间的传输模型【9 】【1 0 】【3 0 】，并由此分析阻抗匹 配对r f i d 系统重要性。正如前面提到，u h f 频段r f i d 系统是基于反向散射调制 技术，利用电磁波反射完成从电子标签到读写器的数据传输。 在距离读写器距离，的电子标签处的功率密度为： s ：墼：罢 ( 3 4 ) 4 万，。 4 石，2 式中，c 为读写器的发射功率；g f 为发射天线的增益；，是标签到读写器之间的 距离；e 脚为天线的有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。 在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率 与入射波的功率密度s 成正比。可以表示为： e = 4 s ( 3 5 ) u h f 频段r f i d 标签天线的设计 其中，4 = 芸g ，g ，为标签天线的增益。所以有 。邓= 笔q s = 脚- q ( 嘉) 2 伊6 ， 再定义标签天线与标签芯片之间的传输系数f ，则标签芯片获得的功率为： c = e f ( 3 7 ) 其中，f ：兰，所以 i 互十乙r f = l 一阡 ( 3 8 ) s 为前面定义的复功率波反射系数。 假设标签芯片的功率门限值为昂，读写器的最大读写距离k ，有： 兄= 脚q ( 丧 2 ( 1 - h 2 ) 9 ， 从而推导出读写器最大读写距离k 。为： a 2 石 ( 3 1 0 ) 由( 3 1 0 ) 可以知道，复功率反射系数对读写器最大读写距离影响很大，也就 是说标签天线与标签芯片的匹配工作具有非常重要的意义。 3 3 标签天线阻抗匹配设计 3 3 1 改变天线馈线结构实现标签天线与标签芯片阻抗匹配 在第一章的结尾，我们根据微带贴片天线设计的工程理论，设计出谐振频率 为9 2 0 彪眈的矩形微带天线。这种设计对于实际的r f i d 标签却不适用，因为要 实现标签天线与标签芯片的功率的最大传输，r f i d 标签天线阻抗要与标签芯片 的阻抗共轭匹配，这使得标签天线在正常工作下，输入阻抗为复阻抗，也即天线 并没有工作在谐振频率。所以，我们只需用边长约为半波长的正方形贴片代替一 第3 章i 疆i d 标签天线的阻抗匹配设计 般的设计即可，然后在用一定的方法实现复阻抗匹配。 首先确定微带天线的尺寸( 7 6 聊脚x 7 6 聊聊) ，介质板使用职4 ( 介电常数为 4 4 ) ，介质板高度为1 6 聊m ，馈线方式为侧馈( 目的是能实现与标签芯片的简单 连接) 。天线在h f s s 软件中所建的模型如图3 3 所示。 图3 3 正方形微带贴片天线仿真模型 对于天线馈电结构的改变，我们细分为下面几种情况进行分析，并得出相应 的结论。 1 、馈电点位置对天线输入阻抗的影响 馈线长为1 7 聊m ，馈线宽度为4 8 瑚聊( 3 办) ，用h f s s 仿真天线工作在9 2 0 朋：眈 下的输入阻抗随馈线位置变化而变化的仿真结果如表3 1 所示： 表3 1 天线输入阻抗随馈线位置变化的仿真结果 位置03691 21 51 82 12 42 73 03 33 5 6 实部 5 2 44 9 45 3 14 4 14 3 44 2 6 3 7 93 7 5 3 5 2 3 4 9 2 7 3 3 0 42 9 3 虚部 一4 3 74 3 14 7 2 4 4 64 6 94 7 44 7 45 3 25 5 65 7 95 1 85 6 95 7 4 表中的位置指的是馈线中心在x 轴上的值，由于对称性，我们只考察馈线沿 x 轴正方向变化对天线输入阻抗的影响，位置值的单位是砌。表中的实部和虚部 分别代表天线输入阻抗的实部和虚部。为了更加清晰观察阻抗的变化情况，把表 第3 章r f m 标签天线的阻抗匹配设计 表3 3 天线输入阻抗随馈线长度变化的仿真结果 馈线长度 2581 11 41 72 02 32 62 9 阻抗实部 7 9 91 0 4 09 6 29 4 87 2 65 2 44 6 4 2 9 5 2 6 22 0 1 阻抗虚部 5 0 01 5 31 9 03 0 24 3 24 3 7 4 0 33 3 1 3 2 1 2 5 。5 为了更直观看出阻抗的变化趋势，把上表的值表示为图3 6 ： l 二u 1 0 0 4 8 0 、 ：l 6 0 ； l弋 ，i 4 0 + 阻抗实部、- ：一 2 0 、卜人 一 + 阻抗虚部 o ；，。 j 一2 0 。 l 一 亨呼q基翌ij 一4 0， 二o 一 i j 么，。 一一 ：磁 镒戮赫+ 。? ? 。：。i 强” j 。j 一 1 。? - ；鸯毫锄 一o u 图3 6 天线输入阻抗随馈线长度变化的仿真结果 由上图可以看出，天线输入阻抗随馈线长度变化改变的范围比较大，尤其是 实部。同样利用公式( 3 一l1 ) 对上述仿真结果做粗略的解释。用m a t l a b 绘制出天 线输入阻抗随馈线长度变化曲线图，如图3