RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計與測量
圖2.2(b)輸入阻抗曲線圖,天線輸入阻抗的實部在940MHz附近達到最大值與2.2(c)中耦合功率曲線圖940MHz附近最小值相對應(yīng),通常我們說天線在940MHz諧振。下面就舉例通過諧振頻率法來推算標(biāo)簽所貼附的復(fù)合板的等效介電常數(shù)。
圖2.3(a)
圖2.3(b)
圖2.2(a)所示標(biāo)簽天線貼附于某復(fù)合板上時,實測耦合功率曲線如圖2.3(a),可以看到耦合功率最小值飄移至780MHz附近,即天線的諧振頻率變?yōu)?80MHz。
按照復(fù)合板尺寸進行仿真計算,當(dāng)復(fù)合板的介電常數(shù)設(shè)置為3.4時,天線輸入阻抗仿真計算實部最大值落在780MHz,如圖2.3(b),復(fù)合板介電常數(shù)等效為3.4。復(fù)合板等效介電常數(shù)已確定,即可按正常設(shè)計方法進行設(shè)計標(biāo)簽天線。
2.3.2.縮尺模型技術(shù)應(yīng)用與比例測量法
縮尺模型技術(shù)是指在滿足一定條件下,將天線按一定縮尺比例縮小(或放大),其特性參數(shù)也滿足這一比例呈函數(shù)變化??s尺模型技術(shù)通常為了便于測 試,制作適于測試的模型進行等效測試,RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計測量也可以直接采用縮尺模型技術(shù)進行等效測量。本文對縮尺模型測量技術(shù)原本用法不再展開討 論,本文從另一個角度展開縮尺模型技術(shù)的應(yīng)用。
我們由圖2.2(a)所示天線在空氣中及貼附于復(fù)合板上兩種環(huán)境下其輸入阻抗曲線形狀相同,位置及數(shù)值存在一定邏輯關(guān)系,與縮尺模型技術(shù)存在一 定的相似性。由圖2.2(b)和2.3(b)可推算出貼附于復(fù)合板材上時天線的輸入阻抗頻率乘以1.2與空氣介質(zhì)時近似。即我們可以通過測量兩種環(huán)境下的 天線的諧振頻率,得到頻率變化系數(shù)為1.2。
K=F空/F介=0.94/0.78=1.2
假設(shè)我們要設(shè)計一款尺寸與2.2(a)所示相同的標(biāo)簽天線,貼附于前面所指的復(fù)合板材上,要求其特性參數(shù)與2.2(a)所示天線在空氣條件下相 近。按照要求調(diào)整天線結(jié)構(gòu)得到如圖2.4所示天線,使其空氣介質(zhì)條件下輸入輸入阻抗曲線與圖2.2(b)的1.2比例相近。圖2.5為圖2.4所示天線仿 真計算輸入阻抗,基本接近1.2比例要求。
圖2.4
圖2.5
通過比例測算法可直接確定在復(fù)雜環(huán)境下設(shè)計目標(biāo),較等效介電常數(shù)測算法更快捷,工作量減小,該方法在實際工程設(shè)計中實用性較高。
2.4標(biāo)簽天線設(shè)計頻帶的確定
UHF RFID因 每個國家的頻段標(biāo)準(zhǔn)不同,因此標(biāo)簽天線設(shè)計,首先要根據(jù)要求確定設(shè)計頻帶。應(yīng)用天線等效測算法進行天線設(shè)計,天線設(shè)計頻帶還要乘以比例系數(shù)K。如要求設(shè)計 一款用于美國,附著于常見藥瓶的RFID標(biāo)簽。已知藥瓶通過測試計算出頻率變化比例K=1.19,因美國頻率段標(biāo)準(zhǔn)為902-928MHz,
所以確定設(shè)計頻帶為:
Fmin=Fmin標(biāo)×K=902×1.19=1073MHz
Fmax=Fmax標(biāo)×K=928×1.19=1104MHz
即設(shè)計頻帶為1073-1104MHz,只要使天線在這個頻帶的特性參數(shù)達到目標(biāo)值卻可。
應(yīng)用天線等效測算法進行天線設(shè)計,可以省去較多仿真計算工作,特別是明確在簡單條件(純天線)下的頻帶,這會使原本復(fù)雜的計算簡單化。
2.5動態(tài)阻抗匹配的設(shè)計
芯片在未開啟狀態(tài)下通??傻刃С扇葑桦娐?,即電容電阻并聯(lián)電路。如一款芯片標(biāo)稱值為0.85PF,2KΩ,則其輸入阻抗為
Z=(jR/ωC)/( R+1/jωC)=(1-jωCR2)R/[1+(ωCR)2]
芯片輸入阻抗曲線如圖2.6。
圖2.6
由芯片的輸入輸阻抗曲線圖可知,芯片的輸入阻隨頻率變化而變化。當(dāng)芯片綁定到天線上時,還會增加分布電容,芯片的實際輸入阻抗與標(biāo)稱值還存在一 定差異。為了使標(biāo)簽?zāi)軌蚍€(wěn)定工作,滿足較寬頻帶內(nèi)阻抗匹配,通常標(biāo)簽天線設(shè)計時考慮芯片的輸入阻抗的動態(tài)變化,做動態(tài)阻抗匹配設(shè)計。通常所指的標(biāo)簽天線動 態(tài)阻抗匹配設(shè)計是指天線輸入阻抗在設(shè)計頻帶內(nèi)阻抗變化趨勢與芯片輸入阻抗共軛值的變化趨勢相對應(yīng)。此外動態(tài)阻抗匹配設(shè)計還包含芯片開啟、讀、寫等各個狀態(tài) 下的輸入阻抗,為了兼顧標(biāo)簽各個狀態(tài)的性能,設(shè)計上盡可能地使天線在工作頻帶內(nèi)滿足芯片在各個狀態(tài)下基本符合匹配條件。
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