RFID標簽天線的設計與測量

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，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簽所貼附的復合板的等效介電常數。

　　圖2.3(a)

　　圖2.3(b)

圖2.2(a)所示標簽天線貼附于某復合板上時，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為780MHz。

按照復合板尺寸進行仿真計算，當復合板的介電常數設置為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)，復合板介電常數等效為3.4。復合板等效介電常數已確定，即可按正常設計方法進行設計標簽天線。

2.3.2.縮尺模型技術應用與比例測量法

縮尺模型技術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)，其特性參數也滿足這一比例呈函數變化。縮尺模型技術通常為了便于測 試，制作適于測試的模型進行等效測試，RFID標簽天線的設計測量也可以直接采用縮尺模型技術進行等效測量。本文對縮尺模型測量技術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的應用。

我們由圖2.2(a)所示天線在空氣中及貼附于復合板上兩種環境下其輸入阻抗曲線形狀相同，位置及數值存在一定邏輯關系，與縮尺模型技術存在一 定的相似性。由圖2.2(b)和2.3(b)可推算出貼附于復合板材上時天線的輸入阻抗頻率乘以1.2與空氣介質時近似。即我們可以通過測量兩種環境下的 天線的諧振頻率，得到頻率變化系數為1.2。

K=F空/F介=0.94/0.78=1.2

假設我們要設計一款尺寸與2.2(a)所示相同的標簽天線，貼附于前面所指的復合板材上，要求其特性參數與2.2(a)所示天線在空氣條件下相 近。按照要求調整天線結構得到如圖2.4所示天線，使其空氣介質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雜環境下設計目標，較等效介電常數測算法更快捷，工作量減小，該方法在實際工程設計中實用性較高。

2.4標簽天線設計頻帶的確定

UHF RFID因 每個國家的頻段標準不同，因此標簽天線設計，首先要根據要求確定設計頻帶。應用天線等效測算法進行天線設計，天線設計頻帶還要乘以比例系數K。如要求設計 一款用于美國，附著于常見藥瓶的RFID標簽。已知藥瓶通過測試計算出頻率變化比例K=1.19，因美國頻率段標準為902-928MHz，

　　所以確定設計頻帶為：

　　Fmin=Fmin標×K=902×1.19=1073MHz

　　Fmax=Fmax標×K=928×1.19=1104MHz

　　即設計頻帶為1073-1104MHz，只要使天線在這個頻帶的特性參數達到目標值卻可。

應用天線等效測算法進行天線設計，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，這會使原本復雜的計算簡單化。

2.5動態阻抗匹配的設計

芯片在未開啟狀態下通常可等效成容阻電路，即電容電阻并聯電路。如一款芯片標稱值為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稱值還存在一 定差異。為了使標簽能夠穩定工作，滿足較寬頻帶內阻抗匹配，通常標簽天線設計時考慮芯片的輸入阻抗的動態變化，做動態阻抗匹配設計。通常所指的標簽天線動 態阻抗匹配設計是指天線輸入阻抗在設計頻帶內阻抗變化趨勢與芯片輸入阻抗共軛值的變化趨勢相對應。此外動態阻抗匹配設計還包含芯片開啟、讀、寫等各個狀態 下的輸入阻抗，為了兼顧標簽各個狀態的性能，設計上盡可能地使天線在工作頻帶內滿足芯片在各個狀態下基本符合匹配條件。