RFID標(biāo)簽天線(xiàn)測(cè)試架設(shè)計(jì)_圖文

1、文章編號(hào):100526122(20080420049204RF I D標(biāo)簽天線(xiàn)測(cè)試架設(shè)計(jì)3孫靜房志江耿軍平金榮洪(上海交通大學(xué)電子工程系,上海200240摘要:針對(duì)RF I D標(biāo)簽天線(xiàn)性能參數(shù)測(cè)試?yán)щy的問(wèn)題,提出了平面結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)測(cè)試架的構(gòu)想,設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)實(shí)際的測(cè)試架。測(cè)試架包括平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)兩部分,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彎折線(xiàn)偶極子標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗、方向圖和增益等參數(shù)準(zhǔn)確的測(cè)量,并為其他小型平衡饋電天線(xiàn)的測(cè)試提供了參考。關(guān)鍵詞:RF I D標(biāo)簽天線(xiàn),巴倫,阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)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(lái)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別已引起廣泛重視1。由于讀頭天線(xiàn)的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)簽天線(xiàn),標(biāo)簽天線(xiàn)的性能對(duì)整個(gè)RF I D 通信

5、系統(tǒng)至關(guān)重要。而且標(biāo)簽天線(xiàn)數(shù)量眾多,因此在研究標(biāo)簽天線(xiàn)傳播特性以及影響標(biāo)簽性能的環(huán)境因素的過(guò)程中,準(zhǔn)確測(cè)量天線(xiàn)參數(shù)是相當(dāng)重要的。所以設(shè)計(jì)一個(gè)可以準(zhǔn)確測(cè)量標(biāo)簽天線(xiàn)性能參數(shù)的測(cè)試架是十分必要的。RF I D標(biāo)簽天線(xiàn)主要有線(xiàn)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(biāo)簽天線(xiàn)多采用微帶貼片型或偶極子型。為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸,天線(xiàn)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(shí)現(xiàn)共軛匹配,天線(xiàn)的輸入阻抗存在較高的感性分量,并且標(biāo)簽天線(xiàn)本身的尺寸很小,這些都為標(biāo)簽天線(xiàn)的測(cè)量帶來(lái)了困難。目前大多以有源標(biāo)簽?zāi)７缕?取代標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)量,還有些文獻(xiàn)給出了測(cè)試床的設(shè)計(jì)思想4

6、,為RF I D通信鏈路的性能測(cè)量提供了很好的方案,但對(duì)于標(biāo)簽天線(xiàn)本身的性能還沒(méi)有很有效的測(cè)量手段,通常將設(shè)計(jì)的天線(xiàn)連接到芯片上進(jìn)行測(cè)量,這種方法無(wú)法準(zhǔn)確地知道天線(xiàn)的性能參數(shù)。本文介紹了一種標(biāo)簽天線(xiàn)測(cè)試架的設(shè)計(jì)方法,該測(cè)試架包括平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)兩部分。通過(guò)對(duì)巴倫部分進(jìn)行等效電路提取,測(cè)量天線(xiàn)與巴倫相連時(shí)的輸入阻抗,反推計(jì)算得到標(biāo)簽天線(xiàn)阻抗的準(zhǔn)確值;根據(jù)天線(xiàn)的阻抗值設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),完成整個(gè)測(cè)試架的設(shè)計(jì)。再進(jìn)一步利用測(cè)試架準(zhǔn)確地測(cè)量標(biāo)簽天線(xiàn)的S參數(shù)、方向圖和增益。第24卷第4期2008年8月微波學(xué)報(bào)JOURNAL OF M I CROWAVESAug.20083收稿日期:2007

7、206225;定稿日期:2007212225基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體基金項(xiàng)目(60521002;國(guó)家自然科學(xué)基金(60501016 1測(cè)試架設(shè)計(jì)本文所研究的RF I D 系統(tǒng)中,標(biāo)簽天線(xiàn)為圖1所示的彎折線(xiàn)偶極子天線(xiàn)。測(cè)試架設(shè)計(jì)原理如圖2所示。彎折線(xiàn)偶極子天線(xiàn)屬于平衡饋電天線(xiàn),如果用同軸電纜饋電,還需要在天線(xiàn)和電纜之間加入平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器巴倫。目前的巴倫設(shè)計(jì)也有考慮阻抗匹配的問(wèn)題,但一般只為實(shí)部變換,例如從80變換為50等。標(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗存在較大的虛部,所以在巴倫之前要加一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),把天線(xiàn)的阻抗變換為50,巴倫雙端的特性阻抗均為50,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的準(zhǔn)確測(cè)量 。測(cè)試架

8、結(jié)構(gòu)如圖3所示,由巴倫和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成,整個(gè)測(cè)試架采用相同的介質(zhì)底板。巴倫采用寬帶平面共面帶線(xiàn)2共面波導(dǎo)(CPS 2CP W 結(jié)構(gòu),匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以共面帶線(xiàn)為基礎(chǔ),采用雙短截線(xiàn)結(jié)構(gòu)。共面帶線(xiàn)的特性阻抗選擇是整個(gè)設(shè)計(jì)的第一步,也是十分必要的一步。因?yàn)楣裁鎺Ь€(xiàn)既是雙短截線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),同時(shí)又是巴倫的CPS 2CP W 結(jié)構(gòu)的一部分。設(shè)計(jì)共面帶線(xiàn)的特性阻抗為50,使得阻抗變換后和巴倫能夠匹配。金屬導(dǎo)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(xiàn)的特性阻抗的值與導(dǎo)帶的寬度、導(dǎo)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(lèi)完全橢圓積分,k =1-k 2,k 1=1-k 21。經(jīng)過(guò)計(jì)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(dǎo)帶寬度W 為3mm ,導(dǎo)帶間距離S 為0.1mm 。圖3測(cè)試架結(jié)構(gòu)圖巴倫的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)7中的結(jié)構(gòu),并根據(jù)天線(xiàn)要求及工藝條件做了適當(dāng)?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(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路的諸多誤差。本文采用短路線(xiàn)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(dāng)于串聯(lián)一個(gè)小電感,對(duì)設(shè)計(jì)的電路有微小的影響,在仿真時(shí)必須對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。巴倫設(shè)計(jì)為50非平衡到50平衡的饋電轉(zhuǎn)換,根據(jù)共面波導(dǎo)阻抗計(jì)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(dǎo)帶寬度W 1為 1.6mm ,導(dǎo)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(xiàn)長(zhǎng)度L 1為 4.7mm ,寬度W 2為0.4mm 。對(duì)巴倫部分進(jìn)行仿真,得到其S 參數(shù)。根據(jù)S 參數(shù),采用Agilent ADS 軟件對(duì)巴倫進(jìn)行參數(shù)提取,得到其在8

11、40900MHz 頻段的等效電路,圖4為標(biāo)簽天線(xiàn)與巴倫直接相連的等效電路。圖5為巴倫本5微波學(xué)報(bào)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(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)與巴倫直接相連的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)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(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗,在866MHz 頻率上其值為22.05+j 79.8。對(duì)該RF I D 標(biāo)簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真,得天線(xiàn)的阻抗如圖6所示,866MHz 時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗值為21.45+j 8

12、1,與反推所得的天線(xiàn)阻抗吻合得很好,證明這種反推方法可以準(zhǔn)確地測(cè)量標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗 。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用雙短截線(xiàn)結(jié)構(gòu),一段開(kāi)路線(xiàn)和一段短路線(xiàn)以通孔和共面帶線(xiàn)連接,有效地減小匹配網(wǎng)絡(luò)的尺寸。根據(jù)天線(xiàn)的輸入阻抗,應(yīng)用傳輸線(xiàn)阻抗匹配計(jì)算公式和仿真優(yōu)化,得到阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:開(kāi)路線(xiàn)長(zhǎng)L 2為17.5mm ,短路線(xiàn)長(zhǎng)L 3為10.2mm ,開(kāi)路線(xiàn)與短路線(xiàn)間距離L 4為30mm ,短截線(xiàn)的寬度同CPS 的寬度 。圖6標(biāo)簽天線(xiàn)阻抗2仿真與實(shí)驗(yàn)本節(jié)所涉及的仿真均采用CST M I CROWAVEST UD I O 軟件實(shí)現(xiàn)。測(cè)試中用到的儀器為HP 8714ET 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Agilent E444

13、5A 頻譜分析儀。由于測(cè)試架中阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)部分為傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu),損耗很小,故只對(duì)測(cè)試架中巴倫部分采用背對(duì)背式連接進(jìn)行測(cè)量,即兩巴倫的CPS 部分對(duì)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(jì)算和測(cè)量結(jié)果如圖7和圖8所示 。從仿真計(jì)算和測(cè)量結(jié)果知:反射損耗在所測(cè)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(xiàn)的工作頻段866MHz ,反射損耗的仿真值和測(cè)量值分別為-12.99dB 和-20.4dB ,插入損耗的仿真值和測(cè)量15第24卷第4期孫靜等:RF I D 標(biāo)簽天線(xiàn)測(cè)試架設(shè)計(jì)值分別為-0.469dB 和-0.569dB 。由于仿

14、真與測(cè)量時(shí)巴倫為背對(duì)背結(jié)構(gòu),故單個(gè)巴倫的插入損耗的測(cè)量值為-0.2845dB 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得很好,表明該測(cè)試架在天線(xiàn)測(cè)量中引入的干擾較小。圖9為標(biāo)簽天線(xiàn)測(cè)試架結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖。加工后的測(cè)試架和標(biāo)簽天線(xiàn)固定在塑料泡沫上,測(cè)試架由S MA 頭連接到儀器。標(biāo)簽天線(xiàn)與測(cè)試架整體結(jié)構(gòu)的S 11仿真計(jì)算與測(cè)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(shì)吻合得很好,在諧振點(diǎn)866MHz 附近,測(cè)試結(jié)果比仿真計(jì)算的結(jié)果略差,測(cè)量時(shí)對(duì)各連接點(diǎn)的手工焊接和測(cè)量環(huán)境的影響均會(huì)導(dǎo)致測(cè)試架的性能變差;測(cè)量的S 參數(shù)整體在頻率上有微小的左移,最小點(diǎn)從866MHz 變?yōu)?63MHz 左右,這是因?yàn)榉抡姝h(huán)境和

15、測(cè)試的不同:為了測(cè)試方便,一塊泡沫塑料被用來(lái)固定標(biāo)簽天線(xiàn)和測(cè)試架,導(dǎo)致了測(cè)試架的諧振頻率有微小的下降。圖11為標(biāo)簽天線(xiàn)與測(cè)試架整體結(jié)構(gòu)的阻抗圖,在866MHz 附近,阻抗的虛部最小,實(shí)部接近50,實(shí)現(xiàn)了阻抗的共軛匹配 。圖12為標(biāo)簽天線(xiàn)的輻射方向圖的仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較,圖12(a 和(b 分別為標(biāo)簽天線(xiàn)E 面和H 面的輻射方向圖。H 面輻射方向圖測(cè)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(duì)應(yīng)了測(cè)試架的位置,是由測(cè)試架不可避免地導(dǎo)入的。由圖可見(jiàn), 該偏差在工程應(yīng)用可接受的范圍內(nèi),說(shuō)明該測(cè)試架即使在方向圖測(cè)試中

16、都符合設(shè)計(jì)要求。準(zhǔn)確地反映了標(biāo)簽天線(xiàn)的輻射情況。標(biāo)簽天線(xiàn)在沒(méi)有良好匹配的情況下是沒(méi)有辦法測(cè)量其增益的,測(cè)試架中的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)使得標(biāo)簽天線(xiàn)的增益可以準(zhǔn)確地測(cè)量。對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真,其增益為 2.11dB 。表1為標(biāo)簽天線(xiàn)、標(biāo)簽天線(xiàn)與測(cè)試架相連和標(biāo)簽天線(xiàn)與巴倫相連三種情況下增益的比較,知天線(xiàn)直接與巴倫相連時(shí),由于在工作頻率上無(wú)法實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,所得增益為0.307dB ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)簽天線(xiàn)的實(shí)際增益。標(biāo)簽天線(xiàn)在與本文設(shè)計(jì)的測(cè)試架連接時(shí),測(cè)得增益為 1.63dB ,測(cè)試架的插入損耗在866MHz 為0.2845dB ,故天線(xiàn)本身的增益測(cè)量值為1.9145dB ,與天線(xiàn)仿真的增益值相差0.1955d

17、B ?？傮w的誤差小于0.2dB ,在誤差允許范圍內(nèi),表明測(cè)試架測(cè)量可以用來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量標(biāo)簽天線(xiàn)增益。(下轉(zhuǎn)第55頁(yè)25微波學(xué)報(bào)2008年8月果。而且,最近幾年來(lái)已有多種新的算法出現(xiàn),如果應(yīng)用這些算法,可能會(huì)得出更多好的結(jié)果628。本文作者衷心感謝沈石堅(jiān)、楊飛和劉玉蓮等在計(jì)算過(guò)程中給予的大力協(xié)助。參考文獻(xiàn)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(qián)繼曾,馮祖?zhèn)?黃富雄.相控陣和頻率掃

19、描天線(xiàn)原理M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1978劉兆磊男,1971年生,研究員。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)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(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)。1983年獲英國(guó)倫敦大學(xué)博士學(xué)位。中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士和美國(guó)I EEE天線(xiàn)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。主要從事相控陣天線(xiàn)和自適應(yīng)天線(xiàn)等方面的研究工作。張光義男,1935年生,中國(guó)工程院院士,1962年畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科動(dòng)力學(xué)院無(wú)線(xiàn)電技術(shù)系,曾任南京電子技術(shù)研究所總工程師,專(zhuān)著1部。(上接第52頁(yè)1天線(xiàn)增益比較仿真與實(shí)驗(yàn)增益(d B標(biāo)簽天線(xiàn)(仿真2.11天線(xiàn)與測(cè)試架相連(有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1.9145天線(xiàn)與巴倫相連(無(wú)阻抗匹配

20、網(wǎng)絡(luò)0.3073結(jié)論RF I D標(biāo)簽天線(xiàn)性能的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)整個(gè)RF I D 系統(tǒng)有重要的意義。從前標(biāo)簽天線(xiàn)的測(cè)量?jī)H限于概念上和原理上的設(shè)計(jì),平面結(jié)構(gòu)的測(cè)試架的提出使標(biāo)簽天線(xiàn)的測(cè)試變得簡(jiǎn)單,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好,說(shuō)明準(zhǔn)確地測(cè)量了標(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗、方向圖和增益等參數(shù)。本文雖然僅以彎折線(xiàn)偶極子天線(xiàn)為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但設(shè)計(jì)方法對(duì)其他類(lèi)型電小天線(xiàn)的測(cè)量同樣有參考價(jià)值和借鑒意義。參考文獻(xiàn)1游戰(zhàn)清,劉克勝,張義強(qiáng),吳谷.無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)(RF I D規(guī)劃與實(shí)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