UHF頻段RFID近場天線的阻抗測量方法

引言

超高頻（UHF）頻段的射頻識別（RFID）近場讀寫器天線（NFRA）由于其在單品識別方面應(yīng)用的潛力[1]，對環(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)來實現(xiàn)。

對于 NFRA 來說，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)計成安裝在金屬腔體里來減小環(huán)境對天線性能的影響，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)計出性能良好的匹配網(wǎng)絡(luò)。通常，我們將NFRA 的設(shè)計分成3 個步驟：

1． 首先是環(huán)天線的設(shè)計和加工；

2． 第二步是環(huán)天線阻抗的測量；

3． 第三部是匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及匹配網(wǎng)絡(luò)和環(huán)天線的聯(lián)合仿真在這篇文章中，我們針對步驟2 設(shè)計了一種聯(lián)合使用同軸線和de-embedding 技術(shù)來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，來完成匹配網(wǎng)絡(luò)和NFRA 天線的設(shè)計制作。

圖 1 UHF RFID 近場讀寫器天線的結(jié)構(gòu)

1 測量方法

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。通常會在同軸線和天線結(jié)構(gòu)之間使用一個1:1的巴倫來抑制同軸線上共模電流的影響，完成轉(zhuǎn)換。

圖 2 帶有平衡端口的電小天線的阻抗測量

然而，對于一個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)行測量，如圖3。

圖 3 帶有平衡端口的電大天線的阻抗測量

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

圖 4 歐洲頻段標(biāo)準(zhǔn)的NFRA 簡化模型

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

2 De-embedding 技術(shù)

通過第一節(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)就是用來消除同軸線參數(shù)的影響得到NFRA 真實阻抗的一種技術(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，同軸線被一段長為l 的傳輸線等效

3 測量結(jié)果

圖 7 給出的是沒有添加匹配網(wǎng)絡(luò)時的S 參數(shù)的測量值和仿真結(jié)果的比較，可以看出測量的結(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 而測量得出的回波損耗為1.3dB.

圖 7 沒有添加匹配網(wǎng)絡(luò)時仿真和測量S 參數(shù)的比較

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 值的微小差異都會導(dǎo)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(shè)計至關(guān)重要。這也是我們要對天線測量進(jìn)行de-embedding 技術(shù)處理原因。

圖8 仿真和測量的阻抗比較（a）電阻值的比較（b）電抗值的比較

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

圖 9 添加了匹配網(wǎng)絡(luò)后NFRA 的S 參數(shù)的仿真和測量值的比較

4 結(jié)論

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