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RFID干货专栏|25 标签天线设计基础、要点

来源: 发布时间:2022-03-15 3329 次浏览

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展,超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一,每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中,中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国,在对物联网发展的大力支持下,行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而,至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

为了填补这方面的空缺,甘泉老师花费数年之功,撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布,本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述,干货满满!RFID世界网得到了甘泉老师授权,在RFID世界网公众号特设专栏,陆续发布本书内容。


4.1 标签天线设计基础

在4.1节中介绍了标签技术第二要素就是天线,天线技术的发展是推动超高频RFID标签技术进步的另一大源动力。本节就针对标签天线的设计技术进行讲解,分别从标签设计的多个维度讲解展开,最后讲解几款市场上比较流行的标签天线。本节内容具有一定专业性,但是没有复杂的推导,即使非天线设计人员一样看得懂,当然对于标签天数设计工程师有更大的学习价值。

4.4.1 标签天线设计基础

一直以来标签天线设计被认为是一个非常专业的事情,许多其他行业的天线工程师看到超高频RFID标签天线后也会感觉迷茫无从下手。这是因为行业内缺乏相对专业的产业和培训,许多小公司都是通过抄袭和多次尝试的方式完成自己的天线设计,只有行业内的几个大企业才有专业的标签天线工程师。其实标签天线设计并不难,只要掌握其等效模型,就能找到天线设计大门的入口了。

1.偶极子标签构成分析

普通材质的超高频RFID标签天线多为偶极子天线,这是因为偶极子天线设计简单且与标签的尺寸要求接近。

如图4-61所示,为一个常见的偶极子天线标签,从天线设计角度分析,共由4部分组成,分别是标签芯片、偶极子天线、电感线圈(LC谐振环)、耦合部分。

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图4-61标签天线设计构成

(1)标签芯片

通过解调标签芯片在天线端口接收到的信号,并调制出一个信号返回到同一端口的阅读器,与阅读器通信。标签芯片是“被动”的,它没有内置电源,而是从读取器的射频信号中收集能量。当标签芯片从读取器信号采集功率时,标签天线阻抗必须与芯片阻抗有较好的共轭匹配。

(2)偶极子天线

偶极子天线有两个辐射臂,如图4-62所示,从一个点向外延伸(通常在同一轴上)。偶极臂的长度和厚度决定了天线的主要特性。例如,常用的偶极子是半波偶极子,半波偶极子的电长度为所需工作频率波长的一半。然而,偶极子阻抗值为70Ω(谐振时阻抗),与标签芯片匹配的更佳值相差甚远。而且其物理长度(半波偶极子在900 MHz时约为15厘米)对于大多数超高频RFID标签应用来说太长了。

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图4-62

对于无源RFID芯片来说,偶极子天线可以等效为一个射频能量源(电压源),为芯片供电。

(3)电感线圈

电感线圈有两个主要功能,一个是与芯片的电容进行共轭匹配,另一个是将偶极子耦合的能量传递给芯片。电感线圈的尺寸对一个标签天线的匹配具有决定作用。如果掌握了调节电感线圈的技巧,就可以成为一名初级的RFID天线工程师了。

(4)耦合部分

耦合部分是能量在偶极子和电感线圈之间转移的重要部件。这部分以感应方式连接偶极子和电感线圈,类似于变压器磁芯之间的耦合。偶极子中等效射频电源的能量可以耦合到电感线圈内并传递给芯片。超高频RFID系统就是利用偶极天线远距离收集的能量并传输到标签芯片上的。电感线圈和偶极子可以进一步分离以减少耦合,也可以拉近或共享更宽的部分以增加耦合。

2.标签天线等效模型

为了方便工程分析,可以将偶极子标签转换为等效电路模型。如图4-63所示,偶极子标签包含的标签芯片、偶极子天线、电感线圈、耦合部分这四部分等效为一个电压源射频传输电路:

标签芯片内部阻抗等效为一个电容和一个电阻的并联,分别为Cchip和Rchip,这两个参数在芯片的说明书中可以找到。

偶极子天线等效为电压源V、辐射电阻(Radiationresistance)Ra、偶极子电容Ca、偶极子电感La。这些参数都是偶极子天线所特有的参数,与天线的结构尺寸相关,且在不同工作频率时表现出不同的特性。

电感线圈等效为电感L2,L2大小与电感线圈尺寸相关。

耦合部分等效为电感L1,L1的大小与电感线圈和偶极子之间的距离相关。

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图4-63偶极子标签等效电路模型

等效电路建立后,只需要计算电压源V供电后,在要求的工作频率范围内,Rchip能够获得的能量。这个能量越大,系统的匹配越好。电路的具体计算比较复杂,可以使用ADS软件进行仿真。辐射电阻Ra、偶极子电容Ca、偶极子电感La、电感线圈等效电感L2、耦合部分等效电感L1这些参数的大小需要在HFSS仿真中获得。

3.设计步骤

在标签天线设计过程中由于标签芯片已经确定,只需要依次完成电感线圈设计、偶极子天线设计和耦合部分设计这三部分即可。

(1)电感线圈设计

设计标签天线的步是构造标签芯片的电感线圈,电感线圈的主要功能之一是设置谐振以匹配芯片的电容。电感线圈的形状可以采取任何形式,只要它完成一个闭环。设计电感线圈时不必太关注是否与芯片在工作频率点谐振,这是因为一旦电感线圈连接到偶极子,其谐振频率会发生改变。

电感线圈有三个设计参数:线宽、环路面积(内圈面积)和线长。使用宽的线宽可以减小电阻从而减小损耗。

电感线圈设计有两个主要权衡点:

个是在线度和环路形状之间。更宽的线宽可以减小欧姆损耗,但环路面积必须增大以补偿减小的电感。

第二个权衡是在环路面积和形状之间。如果形状更接近圆形或方形,则获得相同电感所需的面积将比狭长形状更小。最终,形状将很可能由标签尺寸要求决定。对于一个长瘦标签形状,圆形或方形环形状将不合适。

图4-64中显示了两个不同尺寸标签的电感线圈设计实例,分别针对方形标签和长窄标签。一般情况下电感线圈被放置在标签区域的中心。

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图4-64电感线圈设计

(2)偶极子设计

偶极子天线是标签天线中更大的部分。由于偶极子必须保持在标签的尺寸限制之内(一般小于半波长尺寸),通常使用一些尺寸减小技术,如采用弯折手段。当偶极子采用弯折设计后可以实现预期的半波电长度,但尺寸的减小意味着增益和带宽的减小。

偶极子同样有一组重要参数需要折衷:线宽和线长。与电感线圈类似,更宽的线宽将减小损耗,但需要更长的长度才能达到相同的谐振频率。此外,由于面积受限,更宽的线宽可能无法达到标签所需的电子长度。

偶极子的设计案例如图4-65所示。这里显示的两个偶极子设计几乎完全填满了标签尺寸区域。如果标签的材料具有较高的介电常数特性,则可能需要减少弯折或弯折的次数。相反,如果标签材料的介电常数较小,则可能需要减小线宽并增加弯折度。

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图4-65偶极子设计

在这一步设计时需要了解基材的介电常数,需要与供应商联系或在实验室中测试得到。如果有差分网络分析仪和测试台,可以更好的了解该偶极子部分的特性。

(3)耦合设计

电感线圈体积小,是一种近场结构,无法在电磁波中为标签芯片提供足够的能量。为了使标签芯片能够与读写器通信,必须在偶极子和电感线圈之间传输能量。通常电感线圈的更佳位置是靠近偶极子的中心,在那里可以获得更大的电流。一旦电感线圈与偶极子耦合,电感线圈和偶极子的谐振频率都会发生位移,需要重新调整。

电感线圈和偶极子之间的耦合系数是一个非常关键的参数。电感线圈与偶极子间重叠的程度决定耦合系数,重叠越深耦合系数越大,能量传递的效率就越高,但与此同时偶极子的电路特性对芯片的影响越大,会导致标签的带宽较窄。

耦合系数决定了阻抗变换的系数,在标签天线等效模型中,L1左侧的所有电路会通过L1影响到芯片端。因此耦合的更佳值取决于标签天线的大小和芯片阻抗。

控制耦合系数最简单的方法是改变电感线圈和偶极子之间的间距,如图4-66所示。距离越远耦合系数越小,距离越近耦合系数越大。

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图4-66耦合设计

一般情况下对于窄带的标签采用较大的耦合系数,可以实现更好的性能(更多能量耦合到芯片内),而对于有宽带设计要求的标签一般采用较小的耦合系数,如标签需要贴在多种不同介电常数的物体上,也应使用弱耦合设计,从而减小偶极子阻抗变化对芯片匹配的影响。