RFID标签天线测试架设计_图文

1、文章编号:100526122(20080420049204RF I D标签天线测试架设计3孙静房志江耿军平金荣洪(上海交通大学电子工程系,上海200240摘要:针对RF I D标签天线性能参数测试困难的问题,提出了平面结构的天线测试架的构想,设计并制作了一个实际的测试架。测试架包括平衡/不平衡转换器和阻抗匹配网络两部分,仿真和实验结果吻合得很好,能够实现对弯折线偶极子标签天线的输入阻抗、方向图和增益等参数准确的测量,并为其他小型平衡馈电天线的测试提供了参考。关键词:RF I D标签天线,巴伦,阻抗匹配网络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技术近年来发展十分迅速,尤其是UHF 频段和微波频段的RF I D技术,因其可实现远距离识别已引起广泛重视1。由于读头天线的灵敏度远远高于标签天线,标签天线的性能对整个RF I D 通信

5、系统至关重要。而且标签天线数量众多,因此在研究标签天线传播特性以及影响标签性能的环境因素的过程中,准确测量天线参数是相当重要的。所以设计一个可以准确测量标签天线性能参数的测试架是十分必要的。RF I D标签天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型三种基本形式。一般高频或微波频段的标签天线多采用微带贴片型或偶极子型。为了实现最大功率传输,天线的阻抗必须与芯片的阻抗共轭匹配2。芯片的阻抗通常具有较高的容性分量,为了实现共轭匹配,天线的输入阻抗存在较高的感性分量,并且标签天线本身的尺寸很小,这些都为标签天线的测量带来了困难。目前大多以有源标签模仿器3取代标签进行测量,还有些文献给出了测试床的设计思想4

6、,为RF I D通信链路的性能测量提供了很好的方案,但对于标签天线本身的性能还没有很有效的测量手段,通常将设计的天线连接到芯片上进行测量,这种方法无法准确地知道天线的性能参数。本文介绍了一种标签天线测试架的设计方法,该测试架包括平衡/不平衡转换器和阻抗匹配网络两部分。通过对巴伦部分进行等效电路提取,测量天线与巴伦相连时的输入阻抗,反推计算得到标签天线阻抗的准确值;根据天线的阻抗值设计阻抗匹配网络,完成整个测试架的设计。再进一步利用测试架准确地测量标签天线的S参数、方向图和增益。第24卷第4期2008年8月微波学报JOURNAL OF M I CROWAVESVol.24No.4Aug.2008

7、3收稿日期:2007206225;定稿日期:2007212225基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体基金项目(60521002;国家自然科学基金(60501016 1测试架设计本文所研究的RF I D 系统中,标签天线为图1所示的弯折线偶极子天线。测试架设计原理如图2所示。弯折线偶极子天线属于平衡馈电天线,如果用同轴电缆馈电,还需要在天线和电缆之间加入平衡/不平衡转换器巴伦。目前的巴伦设计也有考虑阻抗匹配的问题,但一般只为实部变换,例如从80变换为50等。标签天线的阻抗存在较大的虚部,所以在巴伦之前要加一个阻抗匹配网络,把天线的阻抗变换为50,巴伦双端的特性阻抗均为50,从而实现对标签天线

8、的准确测量 。测试架结构如图3所示,由巴伦和阻抗匹配网络组成,整个测试架采用相同的介质底板。巴伦采用宽带平面共面带线2共面波导(CPS 2CP W 结构,匹配网络设计以共面带线为基础,采用双短截线结构。共面带线的特性阻抗选择是整个设计的第一步,也是十分必要的一步。因为共面带线既是双短截线结构设计的基础,同时又是巴伦的CPS 2CP W 结构的一部分。设计共面带线的特性阻抗为50,使得阻抗变换后和巴伦能够匹配。金属导带的宽度为W (mm ,两金属带之间的距离为S (mm ,介质板厚度h (mm ,介电常数为r 。共面带线的特性阻抗的值与导带的宽度、导带间的距离、介质板的介电常数和厚度有关5,6:

9、Z cp s =120K (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 是第一类完全椭圆积分,k =1-k 2,k 1=1-k 21。经过计算,选取介电常数为r 为10. 2,厚度h 为1.28(mm 材料作为介质板,导带宽度W 为3mm ,导带间距离S 为0.1mm 。图3测试架结构图巴伦的设计参考文献7中的结构,并根据天线要求及工艺条件做了适当的修改,不再采用原文中的空气桥结构。这是由于空气桥的焊接不一致性会导致整个电路的诸多误差。本文采用短路线经通孔在

10、背面连接替代空气桥,如图3(b 所示。结构中所有通孔半径均为0.2mm 。通孔本身相当于串联一个小电感,对设计的电路有微小的影响,在仿真时必须对参数进行优化。巴伦设计为50非平衡到50平衡的馈电转换,根据共面波导阻抗计算公式和采用CSTM I CRO 2WAVE ST UD I O 软件仿真优化,得到微带巴伦的结构参数为:中心导带宽度W 1为 1.6mm ,导带与地之间的距离S 1为0.8mm ,挖空部分的直径D 为3.5mm ,背面连接通孔的短路线长度L 1为 4.7mm ,宽度W 2为0.4mm 。对巴伦部分进行仿真,得到其S 参数。根据S 参数,采用Agilent ADS 软件对巴伦进行

11、参数提取,得到其在840900MHz 频段的等效电路,图4为标签天线与巴伦直接相连的等效电路。图5为巴伦本5微波学报2008年8月身的S 参数与所提取的等效电路的S 参数的结果比较,在840900MHz 的频段上S 12和S 21相差小于0.25dB ,S 11和S 22相差小于0.5dB ,表明等效电路在此频段上可以很好地模拟巴伦的特性。对标签天线与巴伦直接相连的结构进行测量,得到其S 参数或者输入阻抗,根据图4所示的电路反推,可以得到标签天线的阻抗,在866MHz 频率上其值为22.05+j 79.8。对该RF I D 标签天线进行仿真,得天线的阻抗如图6所示,866MHz 时对应的阻抗值

12、为21.45+j 81,与反推所得的天线阻抗吻合得很好,证明这种反推方法可以准确地测量标签天线的输入阻抗 。阻抗匹配网络采用双短截线结构,一段开路线和一段短路线以通孔和共面带线连接,有效地减小匹配网络的尺寸。根据天线的输入阻抗,应用传输线阻抗匹配计算公式和仿真优化,得到阻抗匹配网络的结构参数为:开路线长L 2为17.5mm ,短路线长L 3为10.2mm ,开路线与短路线间距离L 4为30mm ,短截线的宽度同CPS 的宽度 。图6标签天线阻抗2仿真与实验本节所涉及的仿真均采用CST M I CROWAVEST UD I O 软件实现。测试中用到的仪器为HP 8714ET 矢量网络分析仪和Ag

13、ilent E4445A 频谱分析仪。由于测试架中阻抗匹配网络部分为传输线结构,损耗很小,故只对测试架中巴伦部分采用背对背式连接进行测量,即两巴伦的CPS 部分对接,CP W 端为馈电端。其馈电端插入损耗和反射损耗的仿真计算和测量结果如图7和图8所示 。从仿真计算和测量结果知:反射损耗在所测频率范围600900MHz 内都小于-12dB ,并且插入损耗非常小,在0.6dB 左右。在样本天线的工作频段866MHz ,反射损耗的仿真值和测量值分别为-12.99dB 和-20.4dB ,插入损耗的仿真值和测量15第24卷第4期孙静等:RF I D 标签天线测试架设计值分别为-0.469dB 和-0.

14、569dB 。由于仿真与测量时巴伦为背对背结构,故单个巴伦的插入损耗的测量值为-0.2845dB 。实验结果与仿真结果吻合得很好,表明该测试架在天线测量中引入的干扰较小。图9为标签天线测试架结构的实物图。加工后的测试架和标签天线固定在塑料泡沫上,测试架由S MA 头连接到仪器。标签天线与测试架整体结构的S 11仿真计算与测量结果的比较如图10所示,S 参数随频率变化的总体趋势吻合得很好,在谐振点866MHz 附近,测试结果比仿真计算的结果略差,测量时对各连接点的手工焊接和测量环境的影响均会导致测试架的性能变差;测量的S 参数整体在频率上有微小的左移,最小点从866MHz 变为863MHz 左右

15、,这是因为仿真环境和测试的不同:为了测试方便,一块泡沫塑料被用来固定标签天线和测试架,导致了测试架的谐振频率有微小的下降。图11为标签天线与测试架整体结构的阻抗图,在866MHz 附近,阻抗的虚部最小,实部接近50,实现了阻抗的共轭匹配 。图12为标签天线的辐射方向图的仿真结果与测量结果的比较,图12(a 和(b 分别为标签天线E 面和H 面的辐射方向图。H 面辐射方向图测量与仿真结果吻合得很好,而E 面方向图两者总体上吻合得很好,只是在80°100°上有所偏差;该区域正好对应了测试架的位置,是由测试架不可避免地导入的。由图可见, 该偏差在工程应用可接受的范围内,说明该测试

16、架即使在方向图测试中都符合设计要求。准确地反映了标签天线的辐射情况。标签天线在没有良好匹配的情况下是没有办法测量其增益的,测试架中的阻抗匹配网络的设计使得标签天线的增益可以准确地测量。对标签天线进行仿真,其增益为 2.11dB 。表1为标签天线、标签天线与测试架相连和标签天线与巴伦相连三种情况下增益的比较,知天线直接与巴伦相连时,由于在工作频率上无法实现阻抗匹配,所得增益为0.307dB ,远远低于标签天线的实际增益。标签天线在与本文设计的测试架连接时,测得增益为 1.63dB ,测试架的插入损耗在866MHz 为0.2845dB ,故天线本身的增益测量值为1.9145dB ,与天线仿真的增益

17、值相差0.1955dB 。总体的误差小于0.2dB ,在误差允许范围内,表明测试架测量可以用来准确地测量标签天线增益。(下转第55页25微波学报2008年8月果。而且,最近几年来已有多种新的算法出现,如果应用这些算法,可能会得出更多好的结果628。本文作者衷心感谢沈石坚、杨飞和刘玉莲等在计算过程中给予的大力协助。参考文献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(

18、6:8218272Hansen 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,钱继曾,冯祖伟,黄

19、富雄.相控阵和频率扫描天线原理M.北京:国防工业出版社,19786陈腾博,焦永昌,张福顺.基于改进型粒子群算法的阵列天线综合J.微波学报,2006,22(增刊:39437史冰芸,章传芳,顾长青.六边形平面阵旁瓣电平优化的遗传算法J.微波学报,2006,22(增刊:57608薄亚明.一种新的天线阵方向图综合演化算法.微波学报J,2007,23(5:16刘兆磊男,1971年生,研究员。主要研究方向为雷达系统和数据处理、多传感器信息融合。郭燕昌男,1938年生,研究员。1960年南京大学计算数学专业毕业。1983年获英国伦敦大学博士学位。中国电子学会会士和美国I EEE天线学会高级会员。主要从事相控

20、阵天线和自适应天线等方面的研究工作。张光义男,1935年生,中国工程院院士,1962年毕业于苏联莫斯科动力学院无线电技术系,曾任南京电子技术研究所总工程师,专著1部。(上接第52页1天线增益比较仿真与实验增益(d B标签天线(仿真2.11天线与测试架相连(有阻抗匹配网络1.9145天线与巴伦相连(无阻抗匹配网络0.3073结论RF I D标签天线性能的准确测量对整个RF I D 系统有重要的意义。从前标签天线的测量仅限于概念上和原理上的设计,平面结构的测试架的提出使标签天线的测试变得简单,测试结果与仿真结果吻合得较好,说明准确地测量了标签天线的阻抗、方向图和增益等参数。本文虽然仅以弯折线偶极子

21、天线为例进行了实验验证,但设计方法对其他类型电小天线的测量同样有参考价值和借鉴意义。参考文献1游战清,刘克胜,张义强,吴谷.无线射频识别技术(RF I D规划与实施M.北京:电子工业出版社,20052Seshagiri Rao K V,N ikitin P V,La m S F.Antenna de2 sign 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