RFID標(biāo)簽天線測試架設(shè)計_圖文

1、文章編號:100526122(20080420049204RF I D標(biāo)簽天線測試架設(shè)計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RF I D標(biāo)簽天線性能參數(shù)測試?yán)щy的問題,提出了平面結(jié)構(gòu)的天線測試架的構(gòu)想,設(shè)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(luò)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(biāo)簽天線的輸入阻抗、方向圖和增益等參數(shù)準(zhǔn)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(biāo)簽天線,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(yuǎn)距離識別已引起廣泛重視1。由于讀頭天線的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)簽天線,標(biāo)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(biāo)簽天線數(shù)量眾多,因此在研究標(biāo)簽天線傳播特性以及影響標(biāo)簽性能的環(huán)境因素的過程中,準(zhǔn)確測量天線參數(shù)是相當(dāng)重要的。所以設(shè)計一個可以準(zhǔn)確測量標(biāo)簽天線性能參數(shù)的測試架是十分必要的。RF I D標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽天線本身的尺寸很小,這些都為標(biāo)簽天線的測量帶來了困難。目前大多以有源標(biāo)簽?zāi)７缕?取代標(biāo)簽進(jìn)行測量,還有些文獻(xiàn)給出了測試床的設(shè)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(biāo)簽天線本身的性能還沒有很有效的測量手段,通常將設(shè)計的天線連接到芯片上進(jìn)行測量,這種方法無法準(zhǔn)確地知道天線的性能參數(shù)。本文介紹了一種標(biāo)簽天線測試架的設(shè)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(luò)兩部分。通過對巴倫部分進(jìn)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(biāo)簽天線阻抗的準(zhǔn)確值;根據(jù)天線的阻抗值設(shè)計阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),完成整個測試架的設(shè)計。再進(jìn)一步利用測試架準(zhǔn)確地測量標(biāo)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(xué)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(xué)基金委創(chuàng)新研究群體基金項目(60521002;國家自然科學(xué)基金(60501016 1測試架設(shè)計本文所研究的RF I D 系統(tǒng)中,標(biāo)簽天線為圖1所示的彎折線偶極子天線。測試架設(shè)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(shè)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(biāo)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(luò),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(biāo)簽天線的準(zhǔn)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(luò)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(dǎo)(CPS 2CP W 結(jié)構(gòu),匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以共面帶線為基礎(chǔ),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(shè)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(shè)計的基礎(chǔ),同時又是巴倫的CPS 2CP W 結(jié)構(gòu)的一部分。設(shè)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(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(dǎo)帶寬度W 為3mm ,導(dǎo)帶間距離S 為0.1mm 。圖3測試架結(jié)構(gòu)圖巴倫的設(shè)計參考文獻(xiàn)7中的結(jié)構(gòu),并根據(jù)天線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導(dǎo)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(dāng)于串聯(lián)一個小電感,對設(shè)計的電路有微小的影響,在仿真時必須對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。巴倫設(shè)計為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長度L 1為 4.7mm ,寬度W 2為0.4mm 。對巴倫部分進(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)簽天線與巴倫直接相連的等效電路。圖5為巴倫本5微波學(xué)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(biāo)簽天線與巴倫直接相連的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(biāo)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(biāo)簽天線進(jìn)行仿真,得天線的阻抗如圖6所示,866MHz 時對應(yīng)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(zhǔn)確地測量標(biāo)簽天線的輸入阻抗 。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)的尺寸。根據(jù)天線的輸入阻抗,應(yīng)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(luò)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(biāo)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(luò)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(luò)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(jìn)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(biāo)簽天線測試架設(shè)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(biāo)簽天線測試架結(jié)構(gòu)的實物圖。加工后的測試架和標(biāo)簽天線固定在塑料泡沫上,測試架由S MA 頭連接到儀器。標(biāo)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(dǎo)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(biāo)簽天線和測試架,導(dǎo)致了測試架的諧振頻率有微小的下降。圖11為標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(yīng)了測試架的位置,是由測試架不可避免地導(dǎo)入的。由圖可見, 該偏差在工程應(yīng)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(shè)計要求。準(zhǔn)確地反映了標(biāo)簽天線的輻射情況。標(biāo)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(luò)的設(shè)計使得標(biāo)簽天線的增益可以準(zhǔn)確地測量。對標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真,其增益為 2.11dB 。表1為標(biāo)簽天線、標(biāo)簽天線與測試架相連和標(biāo)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)簽天線的實際增益。標(biāo)簽天線在與本文設(shè)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 ?？傮w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(zhǔn)確地測量標(biāo)簽天線增益。(下轉(zhuǎn)第55頁25微波學(xué)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(yīng)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(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(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)計算數(shù)學(xué)專業(yè)畢業(yè)。1983年獲英國倫敦大學(xué)博士學(xué)位。中國電子學(xué)會會士和美國I EEE天線學(xué)會高級會員。主要從事相控陣天線和自適應(yīng)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(xué)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(biāo)簽天線(仿真2.11天線與測試架相連(有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)1.9145天線與巴倫相連(無阻抗匹配

20、網(wǎng)絡(luò)0.3073結(jié)論RF I D標(biāo)簽天線性能的準(zhǔn)確測量對整個RF I D 系統(tǒng)有重要的意義。從前標(biāo)簽天線的測量僅限于概念上和原理上的設(shè)計,平面結(jié)構(gòu)的測試架的提出使標(biāo)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(zhǔn)確地測量了標(biāo)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(jìn)行了實驗驗證,但設(shè)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(xiàn)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