RFID标签天线的设计与测量

图2.2(b)输入阻抗曲线图，天线输入阻抗的实部在940MHz附近达到最大值与2.2(c)中耦合功率曲线图940MHz附近最小值相对应，通常我们说天线在940MHz谐振。下面就举例通过谐振频率法来推算标签所贴附的复合板的等效介电常数。

　　图2.3(a)

　　图2.3(b)

图2.2(a)所示标签天线贴附于某复合板上时，实测耦合功率曲线如图2.3(a)，可以看到耦合功率最小值飘移至780MHz附近，即天线的谐振频率变为780MHz。

按照复合板尺寸进行仿真计算，当复合板的介电常数设置为3.4时，天线输入阻抗仿真计算实部最大值落在780MHz，如图2.3(b)，复合板介电常数等效为3.4。复合板等效介电常数已确定，即可按正常设计方法进行设计标签天线。

2.3.2.缩尺模型技术应用与比例测量法

缩尺模型技术是指在满足一定条件下，将天线按一定缩尺比例缩小(或放大)，其特性参数也满足这一比例呈函数变化。缩尺模型技术通常为了便于测 试，制作适于测试的模型进行等效测试，RFID标签天线的设计测量也可以直接采用缩尺模型技术进行等效测量。本文对缩尺模型测量技术原本用法不再展开讨 论，本文从另一个角度展开缩尺模型技术的应用。

我们由图2.2(a)所示天线在空气中及贴附于复合板上两种环境下其输入阻抗曲线形状相同，位置及数值存在一定逻辑关系，与缩尺模型技术存在一 定的相似性。由图2.2(b)和2.3(b)可推算出贴附于复合板材上时天线的输入阻抗频率乘以1.2与空气介质时近似。即我们可以通过测量两种环境下的 天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2。

K=F空/F介=0.94/0.78=1.2

假设我们要设计一款尺寸与2.2(a)所示相同的标签天线，贴附于前面所指的复合板材上，要求其特性参数与2.2(a)所示天线在空气条件下相 近。按照要求调整天线结构得到如图2.4所示天线，使其空气介质条件下输入输入阻抗曲线与图2.2(b)的1.2比例相近。图2.5为图2.4所示天线仿 真计算输入阻抗，基本接近1.2比例要求。

　　图2.4

　图2.5

通过比例测算法可直接确定在复杂环境下设计目标，较等效介电常数测算法更快捷，工作量减小，该方法在实际工程设计中实用性较高。

2.4标签天线设计频带的确定

UHF RFID因 每个国家的频段标准不同，因此标签天线设计，首先要根据要求确定设计频带。应用天线等效测算法进行天线设计，天线设计频带还要乘以比例系数K。如要求设计 一款用于美国，附着于常见药瓶的RFID标签。已知药瓶通过测试计算出频率变化比例K=1.19，因美国频率段标准为902-928MHz，

　　所以确定设计频带为：

　　Fmin=Fmin标×K=902×1.19=1073MHz

　　Fmax=Fmax标×K=928×1.19=1104MHz

　　即设计频带为1073-1104MHz，只要使天线在这个频带的特性参数达到目标值却可。

应用天线等效测算法进行天线设计，可以省去较多仿真计算工作，特别是明确在简单条件(纯天线)下的频带，这会使原本复杂的计算简单化。

2.5动态阻抗匹配的设计

芯片在未开启状态下通常可等效成容阻电路，即电容电阻并联电路。如一款芯片标称值为0.85PF，2KΩ，则其输入阻抗为

　　Z=(jR/ωC)/( R+1/jωC)=(1-jωCR2)R/[1+(ωCR)2]

芯片输入阻抗曲线如图2.6。

　　图2.6

由芯片的输入输阻抗曲线图可知，芯片的输入阻随频率变化而变化。当芯片绑定到天线上时，还会增加分布电容，芯片的实际输入阻抗与标称值还存在一 定差异。为了使标签能够稳定工作，满足较宽频带内阻抗匹配，通常标签天线设计时考虑芯片的输入阻抗的动态变化，做动态阻抗匹配设计。通常所指的标签天线动 态阻抗匹配设计是指天线输入阻抗在设计频带内阻抗变化趋势与芯片输入阻抗共轭值的变化趋势相对应。此外动态阻抗匹配设计还包含芯片开启、读、写等各个状态 下的输入阻抗，为了兼顾标签各个状态的性能，设计上尽可能地使天线在工作频带内满足芯片在各个状态下基本符合匹配条件。