RFID標簽天線測試架設計_圖文

1、文章編號:100526122(20080420049204RF I D標簽天線測試架設計3孫靜房志江耿軍平金榮洪(上海交通大學電子工程系,上海200240摘要:針對RF I D標簽天線性能參數(shù)測試困難的問題,提出了平面結(jié)構(gòu)的天線測試架的構(gòu)想,設計并制作了一個實際的測試架。測試架包括平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器和阻抗匹配網(wǎng)絡兩部分,仿真和實驗結(jié)果吻合得很好,能夠?qū)崿F(xiàn)對彎折線偶極子標簽天線的輸入阻抗、方向圖和增益等參數(shù)準確的測量,并為其他小型平衡饋電天線的測試提供了參考。關(guān)鍵詞:RF I D標簽天線,巴倫,阻抗匹配網(wǎng)絡The Desi gn of a Testboard for RFI D Tag Ante

2、nnaSUN J i n g,FANG Zh i2ji a ng,GENG Jun2p i n g,J I N Rong2hong(D epart m ent of Electronic Engineering,Shanghai J iaotong U niversity,Shanghai200240,ChinaAbstract:I n this paper,a design concep t of the p lanar testboard is p r oposed t o s olve the p r oble m of RF I D tag antenna testing.A p ra

3、ctical testboard is designed and manufactured.The testboard composes of a Balun and an i m pedance matching net w ork.The good agree ment bet w een the si m ulati on and the measure ment results shows that the testboard can be used t o test the input i m pedance,radiati on patterns and gains of the

4、meander2line di pole tag antenna accurately,which als o p r ovides a testing sche me of other s mall2size antennas with balanced feed.Key words:RF I D tag antenna,Balun,I m pedance matching net w ork引言RF I D技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速,尤其是UHF 頻段和微波頻段的RF I D技術(shù),因其可實現(xiàn)遠距離識別已引起廣泛重視1。由于讀頭天線的靈敏度遠遠高于標簽天線,標簽天線的性能對整個RF I D 通信

5、系統(tǒng)至關(guān)重要。而且標簽天線數(shù)量眾多,因此在研究標簽天線傳播特性以及影響標簽性能的環(huán)境因素的過程中,準確測量天線參數(shù)是相當重要的。所以設計一個可以準確測量標簽天線性能參數(shù)的測試架是十分必要的。RF I D標簽天線主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型三種基本形式。一般高頻或微波頻段的標簽天線多采用微帶貼片型或偶極子型。為了實現(xiàn)最大功率傳輸,天線的阻抗必須與芯片的阻抗共軛匹配2。芯片的阻抗通常具有較高的容性分量,為了實現(xiàn)共軛匹配,天線的輸入阻抗存在較高的感性分量,并且標簽天線本身的尺寸很小,這些都為標簽天線的測量帶來了困難。目前大多以有源標簽模仿器3取代標簽進行測量,還有些文獻給出了測試床的設計思想4

6、,為RF I D通信鏈路的性能測量提供了很好的方案,但對于標簽天線本身的性能還沒有很有效的測量手段,通常將設計的天線連接到芯片上進行測量,這種方法無法準確地知道天線的性能參數(shù)。本文介紹了一種標簽天線測試架的設計方法,該測試架包括平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器和阻抗匹配網(wǎng)絡兩部分。通過對巴倫部分進行等效電路提取,測量天線與巴倫相連時的輸入阻抗,反推計算得到標簽天線阻抗的準確值;根據(jù)天線的阻抗值設計阻抗匹配網(wǎng)絡,完成整個測試架的設計。再進一步利用測試架準確地測量標簽天線的S參數(shù)、方向圖和增益。第24卷第4期2008年8月微波學報JOURNAL OF M I CROWAVESAug.20083收稿日期:2007

7、206225;定稿日期:2007212225基金項目:國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體基金項目(60521002;國家自然科學基金(60501016 1測試架設計本文所研究的RF I D 系統(tǒng)中,標簽天線為圖1所示的彎折線偶極子天線。測試架設計原理如圖2所示。彎折線偶極子天線屬于平衡饋電天線,如果用同軸電纜饋電,還需要在天線和電纜之間加入平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器巴倫。目前的巴倫設計也有考慮阻抗匹配的問題,但一般只為實部變換,例如從80變換為50等。標簽天線的阻抗存在較大的虛部,所以在巴倫之前要加一個阻抗匹配網(wǎng)絡,把天線的阻抗變換為50,巴倫雙端的特性阻抗均為50,從而實現(xiàn)對標簽天線的準確測量 。測試架

8、結(jié)構(gòu)如圖3所示,由巴倫和阻抗匹配網(wǎng)絡組成,整個測試架采用相同的介質(zhì)底板。巴倫采用寬帶平面共面帶線2共面波導(CPS 2CP W 結(jié)構(gòu),匹配網(wǎng)絡設計以共面帶線為基礎,采用雙短截線結(jié)構(gòu)。共面帶線的特性阻抗選擇是整個設計的第一步,也是十分必要的一步。因為共面帶線既是雙短截線結(jié)構(gòu)設計的基礎,同時又是巴倫的CPS 2CP W 結(jié)構(gòu)的一部分。設計共面帶線的特性阻抗為50,使得阻抗變換后和巴倫能夠匹配。金屬導帶的寬度為W (mm ,兩金屬帶之間的距離為S (mm ,介質(zhì)板厚度h (mm ,介電常數(shù)為r 。共面帶線的特性阻抗的值與導帶的寬度、導帶間的距離、介質(zhì)板的介電常數(shù)和厚度有關(guān)5,6:Z cp s =12

9、0K (k eff K (k (1eff =1+r -12K (k K (k 1K (k K (k 1(2k =ss +2w(3k 1=sinhs 4hsinh(s +2w 4h(4其中K 是第一類完全橢圓積分,k =1-k 2,k 1=1-k 21。經(jīng)過計算,選取介電常數(shù)為r 為10. 2,厚度h 為1.28(mm 材料作為介質(zhì)板,導帶寬度W 為3mm ,導帶間距離S 為0.1mm 。圖3測試架結(jié)構(gòu)圖巴倫的設計參考文獻7中的結(jié)構(gòu),并根據(jù)天線要求及工藝條件做了適當?shù)男薷?不再采用原文中的空氣橋結(jié)構(gòu)。這是由于空氣橋的焊接不一致性會導致整個電路的諸多誤差。本文采用短路線經(jīng)通孔在背面連接替代空氣橋,

10、如圖3(b 所示。結(jié)構(gòu)中所有通孔半徑均為0.2mm 。通孔本身相當于串聯(lián)一個小電感,對設計的電路有微小的影響,在仿真時必須對參數(shù)進行優(yōu)化。巴倫設計為50非平衡到50平衡的饋電轉(zhuǎn)換,根據(jù)共面波導阻抗計算公式和采用CSTM I CRO 2WAVE ST UD I O 軟件仿真優(yōu)化,得到微帶巴倫的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:中心導帶寬度W 1為 1.6mm ,導帶與地之間的距離S 1為0.8mm ,挖空部分的直徑D 為3.5mm ,背面連接通孔的短路線長度L 1為 4.7mm ,寬度W 2為0.4mm 。對巴倫部分進行仿真,得到其S 參數(shù)。根據(jù)S 參數(shù),采用Agilent ADS 軟件對巴倫進行參數(shù)提取,得到其在8

11、40900MHz 頻段的等效電路,圖4為標簽天線與巴倫直接相連的等效電路。圖5為巴倫本5微波學報2008年8月身的S 參數(shù)與所提取的等效電路的S 參數(shù)的結(jié)果比較,在840900MHz 的頻段上S 12和S 21相差小于0.25dB ,S 11和S 22相差小于0.5dB ,表明等效電路在此頻段上可以很好地模擬巴倫的特性。對標簽天線與巴倫直接相連的結(jié)構(gòu)進行測量,得到其S 參數(shù)或者輸入阻抗,根據(jù)圖4所示的電路反推,可以得到標簽天線的阻抗,在866MHz 頻率上其值為22.05+j 79.8。對該RF I D 標簽天線進行仿真,得天線的阻抗如圖6所示,866MHz 時對應的阻抗值為21.45+j 8

12、1,與反推所得的天線阻抗吻合得很好,證明這種反推方法可以準確地測量標簽天線的輸入阻抗 。阻抗匹配網(wǎng)絡采用雙短截線結(jié)構(gòu),一段開路線和一段短路線以通孔和共面帶線連接,有效地減小匹配網(wǎng)絡的尺寸。根據(jù)天線的輸入阻抗,應用傳輸線阻抗匹配計算公式和仿真優(yōu)化,得到阻抗匹配網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:開路線長L 2為17.5mm ,短路線長L 3為10.2mm ,開路線與短路線間距離L 4為30mm ,短截線的寬度同CPS 的寬度 。圖6標簽天線阻抗2仿真與實驗本節(jié)所涉及的仿真均采用CST M I CROWAVEST UD I O 軟件實現(xiàn)。測試中用到的儀器為HP 8714ET 矢量網(wǎng)絡分析儀和Agilent E444

13、5A 頻譜分析儀。由于測試架中阻抗匹配網(wǎng)絡部分為傳輸線結(jié)構(gòu),損耗很小,故只對測試架中巴倫部分采用背對背式連接進行測量,即兩巴倫的CPS 部分對接,CP W 端為饋電端。其饋電端插入損耗和反射損耗的仿真計算和測量結(jié)果如圖7和圖8所示 。從仿真計算和測量結(jié)果知:反射損耗在所測頻率范圍600900MHz 內(nèi)都小于-12dB ,并且插入損耗非常小,在0.6dB 左右。在樣本天線的工作頻段866MHz ,反射損耗的仿真值和測量值分別為-12.99dB 和-20.4dB ,插入損耗的仿真值和測量15第24卷第4期孫靜等:RF I D 標簽天線測試架設計值分別為-0.469dB 和-0.569dB 。由于仿

14、真與測量時巴倫為背對背結(jié)構(gòu),故單個巴倫的插入損耗的測量值為-0.2845dB 。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得很好,表明該測試架在天線測量中引入的干擾較小。圖9為標簽天線測試架結(jié)構(gòu)的實物圖。加工后的測試架和標簽天線固定在塑料泡沫上,測試架由S MA 頭連接到儀器。標簽天線與測試架整體結(jié)構(gòu)的S 11仿真計算與測量結(jié)果的比較如圖10所示,S 參數(shù)隨頻率變化的總體趨勢吻合得很好,在諧振點866MHz 附近,測試結(jié)果比仿真計算的結(jié)果略差,測量時對各連接點的手工焊接和測量環(huán)境的影響均會導致測試架的性能變差;測量的S 參數(shù)整體在頻率上有微小的左移,最小點從866MHz 變?yōu)?63MHz 左右,這是因為仿真環(huán)境和

15、測試的不同:為了測試方便,一塊泡沫塑料被用來固定標簽天線和測試架,導致了測試架的諧振頻率有微小的下降。圖11為標簽天線與測試架整體結(jié)構(gòu)的阻抗圖,在866MHz 附近,阻抗的虛部最小,實部接近50,實現(xiàn)了阻抗的共軛匹配 。圖12為標簽天線的輻射方向圖的仿真結(jié)果與測量結(jié)果的比較,圖12(a 和(b 分別為標簽天線E 面和H 面的輻射方向圖。H 面輻射方向圖測量與仿真結(jié)果吻合得很好,而E 面方向圖兩者總體上吻合得很好,只是在80°100°上有所偏差;該區(qū)域正好對應了測試架的位置,是由測試架不可避免地導入的。由圖可見, 該偏差在工程應用可接受的范圍內(nèi),說明該測試架即使在方向圖測試中

16、都符合設計要求。準確地反映了標簽天線的輻射情況。標簽天線在沒有良好匹配的情況下是沒有辦法測量其增益的,測試架中的阻抗匹配網(wǎng)絡的設計使得標簽天線的增益可以準確地測量。對標簽天線進行仿真,其增益為 2.11dB 。表1為標簽天線、標簽天線與測試架相連和標簽天線與巴倫相連三種情況下增益的比較,知天線直接與巴倫相連時,由于在工作頻率上無法實現(xiàn)阻抗匹配,所得增益為0.307dB ,遠遠低于標簽天線的實際增益。標簽天線在與本文設計的測試架連接時,測得增益為 1.63dB ,測試架的插入損耗在866MHz 為0.2845dB ,故天線本身的增益測量值為1.9145dB ,與天線仿真的增益值相差0.1955d

17、B 。總體的誤差小于0.2dB ,在誤差允許范圍內(nèi),表明測試架測量可以用來準確地測量標簽天線增益。(下轉(zhuǎn)第55頁25微波學報2008年8月果。而且,最近幾年來已有多種新的算法出現(xiàn),如果應用這些算法,可能會得出更多好的結(jié)果628。本文作者衷心感謝沈石堅、楊飛和劉玉蓮等在計算過程中給予的大力協(xié)助。參考文獻1S m ith M S,Guo Y C.A comparis on of methods for ran2 dom izing phasing quantizati on err ors in phased arraysJ,I EEE Trans on AP,1983,31(6:8218272H

18、ansen R C.Phased A rray AntennasM.New York: W iley,19983Maill oux R J.Phased A rray Antenna HandbookM.Bost on:A rtech House,19944J iangW,Guo Y C,et al.Comparis on of random phasing methods for reducing bea m pointing err ors in phased arrayJ,I EEE Trans on AP,2003,51(4:7827895郭燕昌,錢繼曾,馮祖?zhèn)?黃富雄.相控陣和頻率掃

19、描天線原理M.北京:國防工業(yè)出版社,1978劉兆磊男,1971年生,研究員。主要研究方向為雷達系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理、多傳感器信息融合。郭燕昌男,1938年生,研究員。1960年南京大學計算數(shù)學專業(yè)畢業(yè)。1983年獲英國倫敦大學博士學位。中國電子學會會士和美國I EEE天線學會高級會員。主要從事相控陣天線和自適應天線等方面的研究工作。張光義男,1935年生,中國工程院院士,1962年畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科動力學院無線電技術(shù)系,曾任南京電子技術(shù)研究所總工程師,專著1部。(上接第52頁1天線增益比較仿真與實驗增益(d B標簽天線(仿真2.11天線與測試架相連(有阻抗匹配網(wǎng)絡1.9145天線與巴倫相連(無阻抗匹配

20、網(wǎng)絡0.3073結(jié)論RF I D標簽天線性能的準確測量對整個RF I D 系統(tǒng)有重要的意義。從前標簽天線的測量僅限于概念上和原理上的設計,平面結(jié)構(gòu)的測試架的提出使標簽天線的測試變得簡單,測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好,說明準確地測量了標簽天線的阻抗、方向圖和增益等參數(shù)。本文雖然僅以彎折線偶極子天線為例進行了實驗驗證,但設計方法對其他類型電小天線的測量同樣有參考價值和借鑒意義。參考文獻1游戰(zhàn)清,劉克勝,張義強,吳谷.無線射頻識別技術(shù)(RF I D規(guī)劃與實施M.北京:電子工業(yè)出版社,20052Seshagiri Rao K V,N ikitin P V,La m S F.Antenna de2 si

21、gn f orUHF RF I D tags:a revie w and a p ractical app lica2ti onJ.I EEE Trans Ant&Pr op,2005,53(12:387038763Rede m ske R,Fletcher R.Design of UHF RF I D emula2 t ors with app licati ons t o RF I D testing and data trans portC.Fourth I EEE Workshop on Aut omatic I dentificati onAdvanced Technol ogies,2005:1931984Griffin J D,Durgin G D.Haldi A,Ki ppelen B.How t o