適用于UHF頻段RFID 近場(chǎng)天線(xiàn)的阻抗測量方法

引言

超高頻(UHF)頻段的射頻識別(RFID)近場(chǎng)讀寫(xiě)器天線(xiàn)(NFRA)由于其在單品識別方面應用的潛力[1]，對環(huán)境的不敏感性和比HF 天線(xiàn)更高的讀寫(xiě)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)結構來(lái)實(shí)現。

對于 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(xiàn)都被設計成安裝在金屬腔體里來(lái)減小環(huán)境對天線(xiàn)性能的影響，如圖1 所示。但是由于金屬腔體的存在，天線(xiàn)的阻抗會(huì )隨頻率的變化而劇烈變化，這將導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上很難設計出性能良好的匹配網(wǎng)絡(luò )。通常，我們將NFRA 的設計分成3 個(gè)步驟：

1. 首先是環(huán)天線(xiàn)的設計和加工;

2. 第二步是環(huán)天線(xiàn)阻抗的測量;

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

1 測量方法

一般的，帶有平衡端口的天線(xiàn)，尤其是像圖2 中的電小天線(xiàn)，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換。通常會(huì )在同軸線(xiàn)和天線(xiàn)結構之間使用一個(gè)1:1的巴倫來(lái)抑制同軸線(xiàn)上共模電流的影響，完成轉換。

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

在UHF 頻段，空氣中的波長(cháng)大約是33cm，比一般的NFRA 的尺寸要小。我們以一個(gè)歐洲頻段標準(865MHz-868MHz)的NFRA 為例來(lái)闡述阻抗的測量方法。圖4 給出了這款天線(xiàn)的簡(jiǎn)化的模型，可以看出天線(xiàn)是一個(gè)橢圓形的環(huán)狀結構，周42cm，遠比866MHz 時(shí)的波長(cháng)要長(cháng)。我們在測量是可以不通過(guò)巴倫而直接把端口和同軸線(xiàn)相連。

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

2 De-embedding 技術(shù)

通過(guò)第一節的方法，可以得出帶有同軸線(xiàn)參數的NFRA 回波損耗參數。De-embedding技術(shù)就是用來(lái)消除同軸線(xiàn)參數的影響得到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)測量的等效電路模型，其中，同軸線(xiàn)被一段長(cháng)為l 的傳輸線(xiàn)等效

3 測量結果

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

仿真得出的回波損耗為0.88dB 而測量得出的回波損耗為1.3dB.

圖 8 中我們比較了仿真和測量的阻抗值。從阻抗比較的小比例圖可以看出，天線(xiàn)的阻抗隨著(zhù)頻率變化劇烈，這意味著(zhù)匹配后天線(xiàn)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。對于窄帶的匹配，任何Q 值的微小差異都會(huì )導致匹配的失敗，所以精確的阻抗測量對于匹配網(wǎng)絡(luò )的設計至關(guān)重要。這也是我們要對天線(xiàn)測量進(jìn)行de-embedding 技術(shù)處理原因。

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

4 結論

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