基于RFID讀寫器的2.4 GHz微帶天線設(shè)計

張 微

(山西工商學(xué)院,山西 太原 030006)

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步,無線傳輸系統(tǒng)越來越廣泛應(yīng)用到移動通信、環(huán)境檢測、衛(wèi)星導(dǎo)航和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。天線作為無線傳輸?shù)闹匾糠?對整個傳輸系統(tǒng)起到?jīng)Q定性作用。由于微帶天線具有重量輕、體積小、成本低和適用組合式設(shè)計的優(yōu)點,所以基于CC2530芯片的RFID讀寫器采用此設(shè)想建立模型。

文章從微帶天線的基本原理、微帶天線的仿真模型以及微帶天線的優(yōu)化匹配等幾方面論述如下:

1 微帶天線的結(jié)構(gòu)優(yōu)選

1.1 微帶天線的基本原理

微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線。它采用微帶線進(jìn)行饋電,在導(dǎo)體片和接地板之間激起電磁場,并通過貼片的四周與接地板的縫隙向外進(jìn)行輻射[1]如圖1所示。

1.2 微帶天線的形狀特征優(yōu)選

微帶天線種類眾多,但最具代表性的矩形微帶線相比于其他形狀的微帶線效率高,所以選擇矩形微帶線。此外,微帶傳輸線饋電制造簡單,易于匹配,易于建模,所以選擇傳輸線饋電,結(jié)合上訴原理設(shè)計出一個利用傳輸線饋電的矩形微帶天線。

1.3 微帶天線的性能指標(biāo)要求

CC2530芯片中的微帶天線要求工作在2.4GHz,增益達(dá)到3dB以上,反射系數(shù)優(yōu)化到-26dB以下,阻抗需要達(dá)到匹配。

圖1 微帶天線

2 微帶天線的仿真模型

2.1 微帶天線的材料優(yōu)選

基板材料的介電常數(shù)εr(εr=9.8)和厚度h直接影響著微帶天線的性能指標(biāo)?？紤]安裝面積的因素,應(yīng)選εr(εr=9.8)較大的陶瓷基片,其常見的厚度h有0.254 mm 、0.635 mm及1.27 mm。鑒于1.27 mm的基片具有較高的天線效率、較寬的帶寬以及較高的增益,因此確定陶瓷基片的厚度h為1.27 mm、介電常數(shù)εr為9.8。

2.2 微帶天線的參數(shù)計算

微帶天線模型寬度W的值直接影響著微帶天線的輸入阻抗、輻射電阻和方向性函數(shù),從而也影響著效率和頻帶。此外,W的值決定著微帶天線的總尺寸。在條件允許的情況下,W取值可以適當(dāng)調(diào)高,這樣使得效率更高,阻抗匹配值更高。W的值由(1)可計算得到

(1)

其中,fr為諧振頻率,C為光速(3*108m/s),εr為9.8,且

(2)

(3)

矩形微帶天線模型的長度L選取波長λg的一半,但考慮到外界的影響,L可由(4)計算得到

(4)

其中,λg通過(5)計算可得,ΔL其實是一個修正項,分別由(3)和(6)共同計算得到

(5)

(6)

ADS軟件中帶有一個計算機(jī)微帶線長度和寬度的工具。在仿真原理圖中選擇[Tools]→[LineCalc]→[Start LineCalc]的命令,彈出“LineCalc”對話框,然后在對話框中計算顯示微帶線模型的長度和寬度。

如圖2所示,由LineCalc軟件計算得出50Ω微帶線饋線寬度d=1.23 mm。

圖2 計算饋線寬度d

因此,由(1)-(6)計算可得微帶天線的基本參數(shù)為:

微帶天線寬度W=26.89 mm

微帶天線長度L=19.71 mm

2.3 微帶天線的設(shè)計步驟

圖3 微帶天線版圖

完成微帶天線的版圖繪制如圖3所示。

圖4 初始設(shè)計微帶天線的S11

圖5 初始設(shè)計微帶天線輸入阻抗史密斯圓圖

通過ADS仿真,從圖4可以看出,實際測試的值和理論計算的值相符合,工作頻率約在2.4 GHz處,但是反射系數(shù)S11的絕對值很大,阻抗匹配存在問題。只有天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時,饋線端才沒有駐波,天線才能獲得最大的輸出功率。從微帶天線輸入阻抗史密斯圓圖5可以看出,CC2530芯片在2.4 GHz時,天線輸入阻抗與饋線的特征阻抗不匹配,反射系數(shù)S11的絕對值很大,需要進(jìn)一步調(diào)整反射系數(shù)S11,達(dá)到匹配的效果,并使得中心頻率更加精準(zhǔn)在2.4 GHz處。

3 微帶天線阻抗的優(yōu)化匹配

分析圖5可得,CC2530芯片在2.4 GHz微帶天線饋線后端串聯(lián)一根50Ω的傳輸線,然后再并聯(lián)一根50Ω的傳輸線,將S11參數(shù)從輸入阻抗8.5-j42.0調(diào)整成50+j0,達(dá)到了與特性阻抗匹配的效果,其中用到了史密斯圓圖法[2]。

因為微帶天線輸入阻抗8.5-j42.0,可以等效為一個電阻和電容的串聯(lián),設(shè)電阻為R,電容為C。

(7)

由(7)推導(dǎo)得到R=8.5Ω,C=1.5pF。

在ADS原理圖中添加等效的電阻和電容,添加一個并聯(lián)傳輸線MLEF元件和一個串聯(lián)傳輸線MLIN元件,并設(shè)定上訴元件的長度初值和寬度初值分別為15和1.23,單位為mm。再添加一個三端寬度均為1.23 mm的元件MTEE-ADS。將上述所有MLIN元件、電容元件、MLEF元件、電阻元件以及MTEE-ADS元件按照電路圖連接,進(jìn)行ADS仿真,觀察到MLEF元件的L值被優(yōu)化成9.37234 mm,達(dá)到最佳值;MLIN元件的L值被優(yōu)化成7.73695 mm,達(dá)到最佳值如圖6所示。

圖6 優(yōu)化匹配結(jié)果

按照上述ADS仿真結(jié)果添加到微帶線的版圖中,得到修正過的微帶天線版圖7,再次重復(fù)仿真可得反射系數(shù)圖8和輸入阻抗圖9。

從圖8可以得到S11=-26.141 dB,圖9可以看出歸一化阻抗[3]等于0.993+j0.098,接近于1,相當(dāng)于輸入阻抗接近于50 Ω,表明阻抗匹配效果良好。

4 微帶天線的優(yōu)化結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出,微帶天線有了很好的匹配電路,CC2530芯片在工作頻率2.4 GHz上,S11=-26.141 dB,反射系數(shù)很小。此時查看天線“Antenna Parameters”對話框,發(fā)現(xiàn)微帶天線的增益達(dá)到3 dB以上,完全滿足設(shè)計要求。所以用微帶天線替代微波天線,只要合理選擇微帶天線形狀,根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整微帶天線的物理尺寸參數(shù)并進(jìn)行阻抗等參數(shù)的優(yōu)化匹配,總能得到一個各項性能參數(shù)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計要求的微帶天線,從而滿足RFID讀寫器的需求。

圖7 添加匹配電路后微帶天線

圖8 添加匹配電路后微帶天線的S11

圖9 添加匹配電路后微帶天線輸入阻抗史密斯圓圖