一种超小型超高频段RFID标签天线的设计

        RFID应用越来越广泛，市场规模也在不断扩大，同时在技术上的要求也在趋于多样化个性化。该文提出了一种超小型433 MHz PCB天线，增益为-17 dB，达到了RFID系统的应用要求。该天线半径为14 mm的半圆区域，尺寸小，同时满足标签小型化和天线性能两方面的要求。
有源射频识别定位系统现已被广泛应用于各种定位场景。针对实际场景下电子标签小型化的需求，在半径为14 mm的半圆里，应用弯折线实现了标签PCB天线的小型化设计，增益达到-17 dB。基于集总元件电路，天线实现了433 MHz的谐振特性，且标签天线与标签芯片实现了50 Ω的阻抗匹配。



即射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)，是一种非接触式的自动识别技术，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据，具有成本低、定位精度高的优点。有源RFID定位系统已被广泛应用于各种定位场景。天线是RFID系统的重要组成部分，在众多场景中均制约着RFID技术的发展，所以对于RFID天线的研究和设计十分迫切。当前RFID系统的应用主要集中在低频、高频、超高频和微波频段，且在这些频段上的天线设计研究有较大不同。本文系统设计采用超高频段进行通信，目前在UHF频段多采用偶极子及其变形结构，如弯折线天线、折合偶极子天线等。文中设计了超高频段433 MHz的标签小型化天线，需同时满足标签小型化和天线性能两方面的要求。
1 标签天线设计思想
1.1 标签天线辐射增益确定
天线增益用G来表示，定义为：在输入功率相同的条件下，天线在最大辐射方向上某一点的功率通量密度与相点源天线在同一点处的功率通量密度之比。一般RFID系统最大传输距离表示为



标签天线发射信号，读写器天线接收信号。对应式(1)中，Pth为读写器射频芯片规定的天线最小接收功率，-110 dBm·W;Pt为标签射频电路芯片规定的天线发射功率，可调，-20～3 dBm·W;Gt为要设计的标签天线增益;GT为已有读写器天线增益，3 dBi;λ为工作波长;r为标签与读写器之间工作距离设计目标，50 m;工作频率为433MHz。RFID系统中读写器天线为圆极化天线，标签天线为线极化天线，二者会产生3 dB的极化失配损失。根据计算公式和实际场景综合考虑，最后确定标签天线增益为-19 dB，可满足应用需求。
1.2 标签天线阻抗匹配
标签天线面积设计目标是半径为14 mm的半圆区域。433 MHz的标签天线由于波长较长，所以在规定的面积内采用弯折线的天线结构。弯折线天线中弯折次数、弯折角、弯折高度以及弯折线宽均在较大程度上影响了天线的谐振特性。在不改变天线外形尺寸的条件下，随着弯折次数的增加，弯折线天线的谐振频率、谐振阻抗下降，但是下降的趋势渐缓，之后当继续增加弯折次数时，天线的谐振频率基本不变。同样在天线外尺寸不变的条件下，改变弯折高度和弯折角，得到的结果类似，均为开始时随着弯折高度和弯折角的增加，天线谐振频率和阻抗明显下降，之后趋势渐缓，最后基本不变。鉴于天线面积较小，在有限的区域内使用弯折线结构无法达到433 MHz的谐振频率，所以设计时需要增加相应的匹配电路进行调谐。
此外，电子标签电路板设计中射频电路与馈线、馈线与天线之间的阻抗要达到共轭匹配，天线才能获得最大的功率传输，辐射最大的能量。当射频电路与天线阻抗失配时，射频电路的能量将不能全部由天线辐射发出，而且这部分的能量会反射回射频电路，产生驻波，对电路产生较大损害。所以为了使信号和能量有效传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即与天线连接的芯片阻抗必须和天线阻抗共轭匹配。将芯片阻抗调至50 Ω，天线的输入阻抗调为50 Ω，从而实现阻抗匹配。



       
2 标签天线结构设计
电子标签采用FR4-环氧树脂电路介质基板(FR4_expoy)厚度为0.8 mm;介电常数为4.4;线宽为0.5 mm。经过长时间绕制，得到天线几何形状如图1所示。


图1 设计天线结构图


该结构充分利用了电子标签形状，天线的增益如图2所示。


图2 天线增益图


由图2可知，天线增益为-15.7 dB，全向辐射。天线上的电流分布如图3所示。


图3 天线面电流密度


天线谐振图像如图4所示。
图4中，天线确如分析，并没有在433 MHz出现谐振，需要增加相应的匹配电路。


图4 设计天线S11曲线




       
3 射频电路的阻抗匹配
在天线433 MHz处谐振，需相应地匹配电路调谐。这里采用Smith圆图进行调谐和阻抗匹配，首先要已知该结构天线在433 MHz处的阻抗值。从HFSS仿真结果中可查到该天线在各个频率点的阻抗，如图5所示。


图5 天线在400~460MHz的阻抗


图5中方框部分为433 MHz频率点对应的阻抗值，Zt=2.832 004-i222.484 839，天线实部较小，呈现容抗性。这里使用ADS进行阻抗匹配工作。设计原理是天线增加匹配电路后，组成一个新的电路结构，整个电路在433 MHz处谐振，阻抗达到50 Ω，从而实现阻抗匹配。ADS原理图中用集总元件表示天线的阻抗，具体设计方法是天线等效为一个电阻和电容的串联，设电阻为R，电容为C



计算得到，R=2.832 004 Ω，C=1.65 pF。
ADS中将集总元器件、Smith Chart Matching圆连接起来得到仿真电路，具体结构如图6所示。


图6 ADS中天线Smith匹配Smith Chart匹配


图6中电路结构经Smith Chart匹配，ADS中提供了4种匹配结构，如图7所示。



图7 4种匹配网络结构图


根据L型匹配电路介绍，设计采用右上角先并联电感后串联电感的方式。将匹配电路与天线串联连接后，用ADS仿真得到此时天线的谐振频率与带宽，如图8所示。


图8 天线谐振S11曲线图


图8所示，仿真天线谐振点为433 MHz，天线带宽为2 MHz具体范围是432～434 MHz，结果符合有源RFID系统中通信频率的设计要求。但ADS因存在精度问题，会自动调整输入值，所以只采用其提供的匹配电路结构图，具体的元器件值还需进行实际调试得到。实际调试中用矢量网络分析仪连接同样的匹配电路结构进行调试。准备一块带有匹配电路电感位置的天线板。根据以下步骤调试匹配电路：(1)启动矢量网络分析仪。(2)将矢量网络分析中的同轴传输线外导体连接匹配电路中接地端，将内导体连接匹配电路馈线端。(3)焊接匹配电路中其中一个电感，根据矢量网络分析中的Smith圆图调节另一个电感值，直到谐振频率为433 MHz时，调试完成。经调试，确定调试过程中L3为30 nH，L2为12 nH。最终结果如图9所示。


图9 实际调试后匹配电路

实际调试中天线的增益为-17 dB，较仿真时有所减小。当天线在433.92 MHz谐振时，天线的带宽较窄，相比仿真结果约减小400 kHz。而且匹配电路中电感值发生较大变化，这是因为ADS进行Smith圆匹配中默认阻抗实部最小为5.3，而实际天线的实部只有2.8，出现了较大误差。即便如此，文中所设计的天线还能满足有源RFID定位系统应用要求。实物如图10所示。


图10 实物图

4 结束语
本文提出了一种超小型433 MHz PCB天线，增益为-17 dB，达到了RFID系统的应用要求。天线半径为14 mm的半圆区域，在目前所有的文献中面积最小。该天线已制作完成，经过不断调试，在匹配了两个电感后，谐振频率达到433 MHz。该天线尺寸小，是一种性能较好，工程上实用性强的标签天线。