图1 设计天线结构图
该结构充分利用了电子标签形状,天线的增益如图2所示。图2 天线增益图
由图2可知,天线增益为-15.7 dB,全向辐射。天线上的电流分布如图3所示。图3 天线面电流密度
天线谐振图像如图4所示。图4 设计天线S11曲线
3 射频电路的阻抗匹配图5 天线在400~460MHz的阻抗
图5中方框部分为433 MHz频率点对应的阻抗值,Zt=2.832 004-i222.484 839,天线实部较小,呈现容抗性。这里使用ADS进行阻抗匹配工作。设计原理是天线增加匹配电路后,组成一个新的电路结构,整个电路在433 MHz处谐振,阻抗达到50 Ω,从而实现阻抗匹配。ADS原理图中用集总元件表示天线的阻抗,具体设计方法是天线等效为一个电阻和电容的串联,设电阻为R,电容为C图6 ADS中天线Smith匹配Smith Chart匹配
图6中电路结构经Smith Chart匹配,ADS中提供了4种匹配结构,如图7所示。图7 4种匹配网络结构图
根据L型匹配电路介绍,设计采用右上角先并联电感后串联电感的方式。将匹配电路与天线串联连接后,用ADS仿真得到此时天线的谐振频率与带宽,如图8所示。图8 天线谐振S11曲线图
图8所示,仿真天线谐振点为433 MHz,天线带宽为2 MHz具体范围是432~434 MHz,结果符合有源RFID系统中通信频率的设计要求。但ADS因存在精度问题,会自动调整输入值,所以只采用其提供的匹配电路结构图,具体的元器件值还需进行实际调试得到。实际调试中用矢量网络分析仪连接同样的匹配电路结构进行调试。准备一块带有匹配电路电感位置的天线板。根据以下步骤调试匹配电路:(1)启动矢量网络分析仪。(2)将矢量网络分析中的同轴传输线外导体连接匹配电路中接地端,将内导体连接匹配电路馈线端。(3)焊接匹配电路中其中一个电感,根据矢量网络分析中的Smith圆图调节另一个电感值,直到谐振频率为433 MHz时,调试完成。经调试,确定调试过程中L3为30 nH,L2为12 nH.最终结果如图9所示。图9 实际调试后匹配电路
实际调试中天线的增益为-17 dB,较仿真时有所减小。当天线在433.92 MHz谐振时,天线的带宽较窄,相比仿真结果约减小400 kHz。而且匹配电路中电感值发生较大变化,这是因为ADS进行Smith圆匹配中默认阻抗实部最小为5.3,而实际天线的实部只有2.8,出现了较大误差。即便如此,文中所设计的天线还能满足有源RFID定位系统应用要求。实物如图10所示。图10 实物图
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