適用于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用的潛力[1]，對環境的不敏感性和比HF 天線更高的讀寫速度，正引起多方面的關注。UHF 頻段的 NFRA 通常采用帶有平衡端口的電大環結構來實現。

對于 NFRA 來說，良好的匹配網絡是至關重要的[2，3]。通常UHF 頻段的NFRA 天線都被設計成安裝在金屬腔體里來減小環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絡。通常，我們將NFRA 的設計分成3 個步驟：

1. 首先是環天線的設計和加工;

2. 第二步是環天線阻抗的測量;

3. 第三部是匹配網絡的設計以及匹配網絡和環天線的聯合仿真在這篇文章中，我們針對步驟2 設計了一種聯合使用同軸線和de-embedding 技術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上，來完成匹配網絡和NFRA 天線的設計制作。

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

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行測量，如圖3。

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準(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狀結構，周42cm，遠比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 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 的同軸線和矢量網絡分析儀相連接。表格I 給出了天線測量時的主要尺寸。

2 De-embedding 技術

通過第一節的方法，可以得出帶有同軸線參數的NFRA 回波損耗參數。De-embedding技術就是用來消除同軸線參數的影響得到NFRA 真實阻抗的一種技術[5，6]。圖6 給出了使用De-embedding 技術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 測量結果

圖 7 給出的是沒有添加匹配網絡時的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，這將會導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 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致匹配的失敗，所以精確的阻抗測量對于匹配網絡的設計至關重要。這也是我們要對天線測量進行de-embedding 技術處理原因。

基于在 866MHz 測量得到的阻抗值，我們可以設計出匹配網絡。圖9 給出了添加了設計的匹配網絡后NFRA 的S 參數的仿真和測量值的比較。可以看出，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。通過聯合測量和de-embedding 技術，得到了天線阻抗的精確值。在得到的測量阻抗的基礎上，設計出了性能良好的匹配網絡，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。