RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與測(cè)量

3天線設(shè)計(jì)實(shí)施例

為了更好地理理解本文RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)思想，下面通過(guò)一個(gè)具體設(shè)計(jì)工程實(shí)施例簡(jiǎn)單回顧一下整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.1確立設(shè)計(jì)目標(biāo)

確立設(shè)計(jì)目標(biāo)是指針對(duì)應(yīng)用需求分析轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)需求，從而確立設(shè)計(jì)目標(biāo)。

例：開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一款用于美國(guó)市場(chǎng)藥店瓶裝藥品盤點(diǎn)管理的標(biāo)簽，要求標(biāo)簽貼于藥瓶標(biāo)貼縫隙處，瓶子陳列于金屬貨架上，最大排列行數(shù)為6行，使用MOTO一款手持讀寫器要求達(dá)到1.5米穩(wěn)定盤點(diǎn)。

對(duì)環(huán)境介質(zhì)條件進(jìn)行測(cè)試，得到設(shè)計(jì)比例系數(shù)為1.17-1.21，介質(zhì)遮擋損耗最大為6dB。確定基本設(shè)計(jì)目標(biāo)：

　　1、 標(biāo)簽天線尺寸4×50mm，

　　2、 設(shè)計(jì)頻帶1073-1104MHz，

　　3、 天線增益GEIRP>-2dB

　　4、 天線阻抗匹配系數(shù)>0.5

3.2建立設(shè)計(jì)模型

因標(biāo)簽天線尺寸較小，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用圖3.1所示結(jié)構(gòu)。為了有效增加天線臂寬度，標(biāo)簽天線采用對(duì)稱式的雙螺旋臂結(jié)構(gòu)。由電磁感應(yīng)定律中的楞次 定律知道，感生電流總是阻逆原生電流變化，由于天線臂螺旋結(jié)構(gòu)使流經(jīng)每個(gè)天線臂的電流環(huán)向相同，感生電流的阻逆作用產(chǎn)生疊加，相當(dāng)于電流在天線臂的流速降 低，天線的諧振頻率會(huì)較曲折臂和直臂天線降低。因此對(duì)稱螺旋臂天線的長(zhǎng)度相對(duì)傳統(tǒng)的曲折臂天線臂長(zhǎng)短，短臂天線在給定空間內(nèi)可以增寬天線臂，使天線臂寬而 短。天線臂的長(zhǎng)寬比越小，天線的阻入阻抗曲線越趨向平滑，與芯片的匹配帶寬增大，因而標(biāo)簽的性能更穩(wěn)定。

　　圖3.1

3.3模型仿真與阻抗匹配調(diào)整

芯片輸入阻抗已知在920MHz時(shí)為20-j145歐姆，則知天線設(shè)計(jì)阻抗目標(biāo)為20+j145歐姆。套入天線等效測(cè)量技術(shù)則天線輸入阻抗目標(biāo)為：

　　Z=(20+j145)×1.19=23.8+j172歐姆

　　對(duì)應(yīng)頻率F=920×1.19=1095MHz

調(diào)整天線臂長(zhǎng)度及閉合環(huán)的尺寸或凹陷程度使其在1095MHz時(shí)天線輸入阻抗接近目標(biāo)值，同時(shí)要考慮設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)(1073-1104MHz)阻抗波動(dòng)值，控制波動(dòng)范圍。如圖3.2通過(guò)天線調(diào)整后的天線輸入阻抗曲線圖。

　　圖3.2

3.4模型制作與測(cè)試

設(shè)計(jì)定型后為了進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)計(jì)符合性，可通過(guò)制作模型進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)與設(shè)計(jì)相符性。測(cè)試可分為天線模型測(cè)試和標(biāo)簽?zāi)Ｐ蜏y(cè)試，天線測(cè)試可參照 2.3.2.所述方法進(jìn)行確認(rèn)天線模型樣品與計(jì)算值的偏差。如圖3.3(a)和圖3.3(b)分別為空氣環(huán)境下測(cè)試耦合功率曲線和貼于藥瓶時(shí)測(cè)試耦合功率 曲線。由圖可以看到模型樣品的諧振頻與設(shè)計(jì)基本一致，貼于藥瓶時(shí)，頻率變化比例為1.19亦符合。

　　圖3.3(a)

　　圖3.3(b)

標(biāo)簽性能可以通過(guò)讀標(biāo)簽開(kāi)啟功率掃頻法測(cè)試標(biāo)簽貼于藥瓶時(shí)的讀靈敏度，進(jìn)一步可推算出標(biāo)簽在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用時(shí)的讀距。圖3.4為掃頻法測(cè)試的標(biāo) 簽實(shí)際應(yīng)用中的讀靈敏度。由靈敏度曲線圖可知最佳靈敏度頻段在895-920MHz，可滿足目標(biāo)頻帶應(yīng)用，且靈敏度達(dá)應(yīng)用要求。再通過(guò)模擬應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行藥 品盤點(diǎn)驗(yàn)證確認(rèn)真實(shí)應(yīng)用符合性。

　　圖3.4

4天線匹配性的測(cè)量

標(biāo)簽天線會(huì)因加工工藝的偏差而產(chǎn)生參數(shù)偏差，芯片在綁定工藝中也會(huì)因綁定工藝產(chǎn)生不同的分布電容值，所以標(biāo)簽天線與芯片的匹配性往往與設(shè)計(jì)存在 一定偏差。為了優(yōu)化匹配性，通常還要做匹配性測(cè)量。匹配性測(cè)量區(qū)別于標(biāo)簽性能測(cè)量，雖然測(cè)量匹配性的目的是為了優(yōu)化標(biāo)簽性能，同時(shí)通過(guò)測(cè)量標(biāo)簽的性能也可 以反應(yīng)出天線的匹配性，但匹配性測(cè)量更具有針對(duì)性，可以通過(guò)匹配性測(cè)量指導(dǎo)設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化方向。

圖4.1

如圖4.1所示電路原理圖是用于HF標(biāo)簽匹配性測(cè)量的測(cè)試選件電路，使用亥姆霍茲雙線圈測(cè)試技術(shù)，

不僅可以測(cè)量標(biāo)簽諧振頻率還可以測(cè)量出磁偶極矩和Q值。圖4.2為一款HF標(biāo)簽產(chǎn)品匹配性能測(cè)試照片，可清楚地反應(yīng)產(chǎn)品諧振頻率及磁偶極矩大小。

　　圖4.2

UHF標(biāo)簽可使用2.3.2中所述的磁探針耦合功率測(cè)試法。磁探針耦合功率測(cè)試法不僅可以對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，也可以用于標(biāo)簽測(cè)試?？梢郧宄胤磻?yīng)出標(biāo)簽諧振頻率，可以通過(guò)諧振頻率進(jìn)一步確定阻抗匹配情況及設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整。

由磁探針耦合功率測(cè)試圖譜知，標(biāo)簽諧振頻率與天線芯片并聯(lián)輸入阻抗最大值相對(duì)應(yīng)。可由天線輸入阻抗、芯片輸入阻抗及并聯(lián)輸入阻抗的關(guān)系，通過(guò)推算值確定匹配系數(shù)。另外附以由靈敏度測(cè)試曲線圖，可確認(rèn)匹配設(shè)計(jì)調(diào)整方向，優(yōu)化匹配值，從而提高標(biāo)簽性能。

5結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用于復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境下RFID標(biāo)簽，只要掌握了適合的設(shè)計(jì)方法，不僅易于達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，還會(huì)使原本復(fù)雜的工作變得簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì) 周期、設(shè)計(jì)成本透明化。不要再通過(guò)制作一大堆各種形狀天線通過(guò)性能測(cè)試或試驗(yàn)，來(lái)選擇適合的天線了，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道什么樣的天線才是適合的。