適用于UHF頻段RFID 近場(chǎng)天線的阻抗測(cè)量方法

引言

超高頻(UHF)頻段的射頻識(shí)別(RFID)近場(chǎng)讀寫器天線(NFRA)由于其在單品識(shí)別方面應(yīng)用的潛力[1]，對(duì)環(huán)境的不敏感性和比HF 天線更高的讀寫速度，正引起多方面的關(guān)注。UHF 頻段的 NFRA 通常采用帶有平衡端口的電大環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于 NFRA 來(lái)說(shuō)，良好的匹配網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的[2，3]。通常UHF 頻段的NFRA 天線都被設(shè)計(jì)成安裝在金屬腔體里來(lái)減小環(huán)境對(duì)天線性能的影響，如圖1 所示。但是由于金屬腔體的存在，天線的阻抗會(huì)隨頻率的變化而劇烈變化，這將導(dǎo)致在仿真軟件中得到的阻抗值不夠精確，在此不精確的阻抗基礎(chǔ)上很難設(shè)計(jì)出性能良好的匹配網(wǎng)絡(luò)。通常，我們將NFRA 的設(shè)計(jì)分成3 個(gè)步驟：

1. 首先是環(huán)天線的設(shè)計(jì)和加工;

2. 第二步是環(huán)天線阻抗的測(cè)量;

3. 第三部是匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及匹配網(wǎng)絡(luò)和環(huán)天線的聯(lián)合仿真在這篇文章中，我們針對(duì)步驟2 設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合使用同軸線和de-embedding 技術(shù)來(lái)得出天線精確阻抗的方法。在這種方法得到的阻抗的基礎(chǔ)上，來(lái)完成匹配網(wǎng)絡(luò)和NFRA 天線的設(shè)計(jì)制作。

1 測(cè)量方法

一般的，帶有平衡端口的天線，尤其是像圖2 中的電小天線，都需要使用巴倫[4]，巴倫的作用是完成平衡端口到非平衡端口的轉(zhuǎn)換。通常會(huì)在同軸線和天線結(jié)構(gòu)之間使用一個(gè)1:1的巴倫來(lái)抑制同軸線上共模電流的影響，完成轉(zhuǎn)換。

然而，對(duì)于一個(gè)電大尺寸的平衡端口天線，同軸線上的共模電流可以忽略，同軸線可以直接的連接到天線上進(jìn)行測(cè)量，如圖3。

在UHF 頻段，空氣中的波長(zhǎng)大約是33cm，比一般的NFRA 的尺寸要小。我們以一個(gè)歐洲頻段標(biāo)準(zhǔn)(865MHz-868MHz)的NFRA 為例來(lái)闡述阻抗的測(cè)量方法。圖4 給出了這款天線的簡(jiǎn)化的模型，可以看出天線是一個(gè)橢圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，周42cm，遠(yuǎn)比866MHz 時(shí)的波長(zhǎng)要長(zhǎng)。我們?cè)跍y(cè)量是可以不通過(guò)巴倫而直接把端口和同軸線相連。

圖 5 是這款天線加工實(shí)物的阻抗測(cè)量照片，可以看出天線直接外接出一根長(zhǎng)為l 的同軸線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接。表格I 給出了天線測(cè)量時(shí)的主要尺寸。

2 De-embedding 技術(shù)

通過(guò)第一節(jié)的方法，可以得出帶有同軸線參數(shù)的NFRA 回波損耗參數(shù)。De-embedding技術(shù)就是用來(lái)消除同軸線參數(shù)的影響得到NFRA 真實(shí)阻抗的一種技術(shù)[5，6]。圖6 給出了使用De-embedding 技術(shù)測(cè)量的等效電路模型，其中，同軸線被一段長(zhǎng)為l 的傳輸線等效

3 測(cè)量結(jié)果

圖 7 給出的是沒(méi)有添加匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)的S 參數(shù)的測(cè)量值和仿真結(jié)果的比較，可以看出測(cè)量的結(jié)果和使用HFSS 軟件得到的仿真結(jié)果基本吻合。仿真結(jié)果的回波損耗在865MHz-868MHz 很小，這將會(huì)導(dǎo)致仿真的阻抗值的不精確。可以看出，在865MHz-868MHz，

仿真得出的回波損耗為0.88dB 而測(cè)量得出的回波損耗為1.3dB.

圖 8 中我們比較了仿真和測(cè)量的阻抗值。從阻抗比較的小比例圖可以看出，天線的阻抗隨著頻率變化劇烈，這意味著匹配后天線的帶寬很窄。在 866MHz，仿真得到的阻抗值為366.9+j467.03(Ohm)，而de-embedding 后測(cè)量得到的阻抗值為 460.8+j309(Ohm)，二者的Q值相差了0.6 左右。對(duì)于窄帶的匹配，任何Q 值的微小差異都會(huì)導(dǎo)致匹配的失敗，所以精確的阻抗測(cè)量對(duì)于匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這也是我們要對(duì)天線測(cè)量進(jìn)行de-embedding 技術(shù)處理原因。

基于在 866MHz 測(cè)量得到的阻抗值，我們可以設(shè)計(jì)出匹配網(wǎng)絡(luò)。圖9 給出了添加了設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)后NFRA 的S 參數(shù)的仿真和測(cè)量值的比較?？梢钥闯?，仿真得到的帶寬為

4 結(jié)論

以一款設(shè)計(jì)好的 NFRA 為例，闡述了一種低損耗的阻抗測(cè)量方法。通過(guò)聯(lián)合測(cè)量和de-embedding 技術(shù)，得到了天線阻抗的精確值。在得到的測(cè)量阻抗的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了性能良好的匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配后的NFRA 的S 參數(shù)仿真值和測(cè)量值吻合良好，證明了這種方法的有效性和精確性。