CN103473427B - 一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，属于天线设计技术领域，该匹配方法包括下列步骤：1）利用标签天线端接负载的复阻抗的值，将标签天线阻抗进行归一化变换，此时负载复阻抗映射到Smith圆图的中心；2）测取标签天线阻抗在变换后的Smith圆图上各个点到中心的距离，即为反射系数的模|Γ|；3）根据步骤二中得到的|Γ|计算标签天线与负载的功率传输系数σ；4）根据步骤三中得到的σ判断匹配设计是否满足要求，如不满足继续调整标签天线参数直至实现匹配。该方法可以直观地从Smith圆图读出标签天线复阻抗与负载的反射系数的模，从而快速计算功率传输系数，解决了在常规Smith圆图上天线复阻抗匹配实现操作较为繁琐的问题，为标签天线复阻抗匹配设计提供有力的手段。

Description

一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法

技术领域

本发明涉及属于天线设计领域，特别涉及一种标签天线与直连芯片的复阻抗匹配方法。

背景技术

标签天线广泛应用于身份识别、货物标签、汽车胎压检测等射频识别系统中。传统的天线通常被设计来与50欧负载阻抗匹配，然而在标签天线设计中，考虑到小型化以及制作成本，天线将与集成电路芯片直接相连。目前，射频识别系统中的标签为了能够存储能量并处理信息，其集成电路芯片的阻抗都是复数的形式。因此，需要实现标签天线与芯片的阻抗共轭匹配以达到最大功率传输目的。

微波电路匹配设计中，Smith圆图是普遍使用的一种图表工具，常规的Smith圆图归一化到实数阻抗如50欧负载，任意阻抗在Smith圆图上的点到中心的距离为该阻抗与负载计算的反射系数的模，相同的反射系数的模在图上为一个圆，如图1中的圆圈A，对于将天线匹配到实数阻抗的情况来说，计算较为简单。然而，对于复数阻抗负载，负载对应的点将偏离中心，例如图1中的点S，在Smith圆图上读取该点的反射系数的模时将面临两个方面的困难：一方面，相同反射系数的模将不再是构成一个相同半径的圆，如图1中闭合曲线B；另一方面，与负载复阻抗的距离也不再直接反映出反射系数模值的大小，无法直接读取标签天线的反射系数的模值。因此，需要提出一种标签天线复阻抗匹配设计方法，能够直接测取天线与芯片之间的反射系数的模，为天线设计时实现最大功率传输提供快速分析的手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种标签天线与直连芯片的复阻抗匹配方法，通过对Smith阻抗圆图进行复阻抗映射，实现了标签天线阻抗匹配设计时反射系数的直观读取，方便用于标签天线的功率传输系数计算。

本发明所述应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，包括以下步骤：

步骤一：利用标签天线端接负载的复阻抗的值，将标签天线阻抗进行归一化变换，此时负载复阻抗映射到Smith圆图的中心。Smith圆图是一款用于电子工程学的图表，主要用于射频微波电路的阻抗匹配设计。

所述的负载复阻抗是指与标签天线直接相连的集成电路芯片的复阻抗，包含两个部分，实部为电阻，虚部为电抗。

步骤二：测取标签天线阻抗在变换后的Smith圆图上各个点到中心的距离，即为反射系数的模|Γ|。

所述的反射系数的模|Γ|是指，标签天线阻抗与芯片阻抗满足的一种表达式关系。

步骤三：根据步骤二中得到的|Γ|计算标签天线与负载的功率传输系数σ。

所述的功率传输系数σ是与反射系数的模有关的物理量。

步骤四：根据步骤三中得到的σ判断匹配设计是否满足要求，如不满足继续调整标签天线参数直至实现匹配。

如果得到的功率传输系数σ满足匹配设计要求，则说明标签天线与芯片已实现匹配；否则未实现匹配，继续调整天线参数后再进行判断。

综上所述，本发明提出的一种应用于射频识别标签天线设计的复阻抗匹配方法，具体地说，是一种在Smith圆图上实现天线阻抗和芯片负载复阻抗的共轭匹配方法。该方法利用芯片负载的复阻抗的值，将标签天线阻抗进行归一化变换，将芯片复阻抗对应的点移到Smith圆图的中心，然后测取标签天线阻抗在变换后的Smith圆图中的反射系数的模，用于计算天线功率传输系数，最后利用匹配条件分析标签天线设计是否符合要求，指导标签天线参数的调整。该匹配方法通过建立芯片的复阻抗映射，能很直观的读取出天线的匹配情况，从而为标签天线最大功率传输设计提供指导。

本发明采用复阻抗映射后的Smith圆图进行复阻抗匹配方法的优点在于：

（1）采用负载的复阻抗值进行Smith圆图变换，变换后可以直观读取圆图上的距离，给出标签天线与芯片阻抗的反射系数的模，进而用于计算功率传输系数，简单易行且方便。

（2）考虑标签天线与芯片直接相连，进行共轭匹配设计，省略了阻抗匹配过程中的匹配网络，可以为标签天线设计降低成本。

（3）在标签天线设计过程中，在天线增益、最大发射功率等指标取值已规定的情况下，实现天线的匹配，计算最大功率传输系数，为实现天线的最大功率传输提供依据。

（4）复阻抗匹配方法具有通用性，当虚部取值为零时也能用于实阻抗的Smith圆图变化，涵盖并弥补了常规50欧阻抗Smith圆图的不足。

附图说明

图1是归一化阻抗为50欧时Smith圆图中反射系数的示意图；

图2是本发明的应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法的流程图；

图3是本发明实施例中的标签天线的结构图；

图4是本发明实施例中复阻抗变换后Smith圆图中标签天线匹配设计的示意图；

图5是本发明实施例中标签天线匹配后的功率传输系数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明公开了一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，方法流程图如图2所示，具体实施步骤如下：

步骤一：利用标签天线端接负载的复阻抗的值，将标签天线阻抗进行归一化变换，此时负载复阻抗映射到Smith圆图的中心。

所述的负载复阻抗和标签天线阻抗，可以分别表示为：

（1）

（2）

式中：为负载电阻，为负载电抗，为标签天线端口电阻，为标签天线端口电抗。一般由芯片的手册给出，一般通过测试或仿真计算得出。

所述的将根据负载复阻抗的值将标签天线阻抗归一化至Smith圆图是采用如下变换关系，

（3）

式中：为归一化阻抗。变换后负载复阻抗将映射到Smith圆图的中心。

步骤二：测取标签天线阻抗在变换后的Smith圆图上各个点到中心的距离，即为反射系数的模|Γ|。

所述的反射系数为：

（4）

式中：为标签天线阻抗的复共轭形式。

本发明中，当标签天线阻抗位于Smith圆图的最大圆周上时，|Γ|=1，表示反射最大，没有能量传输。当标签天线阻抗位于Smith圆图的中心时，表示匹配，|Γ|=0。因此，标签天线设计过程中要求|Γ|越小越好。

步骤三：根据步骤二中得到的|Γ|计算标签天线与负载的功率传输系数σ。

所述的功率传输系数是与反射系数的模有关的物理量，

（5）

表示负载阻抗能从标签天线端口得到的功率比例。当实现共轭匹配时，，负载阻抗得到最大功率，满足最大功率传输条件。

功率传输系数的值直接影响标签天线的性能，对于标签天线的读取距离一般主要由功率传输系数来决定。本发明中忽略射频识别系统中发射器天线与接收标签天线见的极化失配、耦合遮挡因素，根据Friis自由空间传输公式，

（6）

式中：为标签天线的工作波长，为射频识别系统中发射器的发射功率，为发射器发射天线的增益，为标签天线的增益，为标签中芯片启动的最小门限功率。

步骤四：根据步骤三中得到的σ判断匹配设计是否满足要求，如不满足继续调整标签天线参数直至实现匹配。

所述的匹配设计是否满足要求是指功率传输系数σ满足的匹配条件，一般根据标签天线需要满足的读取距离，在一定的、、、取值条件下反推出σ要满足的值，为国家规定的射频识别系统发射器的最大传输功率值，为集成芯片厂家给出的值，和分别通过对发射天线和接收天线的测试或仿真获取。

如果计算出来的功率传输条件σ满足要求，则说明标签天线已实现匹配；否则认为匹配设计不合理，需要继续修改天线参数。

下面以一个实施例说明本发明方法在汽车胎压检测系统标签天线的复阻抗匹配中的应用，按照如下方法进行匹配设计：

步骤一：利用标签天线端接负载的复阻抗的值，将标签天线阻抗进行归一化变换，此时负载复阻抗映射到Smith圆图的中心。某汽车胎压检测系统标签天线的几何结构如图3所示，标签天线2为两端对称的法向模螺旋天线，螺间距，螺旋半径，线半径，总圈数（为了图显示清晰，仅画出部分线圈），天线通过一个长为3mm的直线与集成电路芯片1连接，芯片1的阻抗，标签置于介质块3中，介质块3的尺寸为100×20×20mm³，介电常数为5，此标签天线3的频率范围为射频识别甚高频段：902MHz~928MHz。根据芯片的阻抗值，由式（3）可以得到归一化的阻抗：

此时，若标签天线的阻抗，与芯片阻抗共轭匹配，，也即Smith圆图的中心。

采用仿真计算标签天线在分析频带内（902MHz～928MHz）的阻抗，归一化至Smith圆图后如图4中曲线Ａ所示。

步骤二：测取标签天线阻抗在变换后的Smith圆图上各个点到中心的距离，即为反射系数的模|Γ|。根据图４所示，直接测取圆图中心到曲线Ａ的距离，可以看出，在频带902MHz~928MHz内，|Γ|的值为0.81～0.93。

步骤三：根据步骤二中得到的|Γ|计算标签天线与负载的功率传输系数σ。

利用步骤二得到的|Γ|，根据式（5）求解σ在频带902MHz~928MHz的值为：0.14～0.34。

步骤四：根据步骤三中得到的σ判断匹配设计是否满足要求，如不满足继续调整标签天线参数直至实现匹配。

标签天线的通信距离要求大于5m以上，根据标准规定最大取值为4W，通过芯片产品手册可知最小门限功率为-10dBm，、和为频率的函数。在分析频带范围内，根据式（6）计算求解得出：在频率902MHz要求σ不低于0.535，在频率928MHz，σ不低于0.567。由步骤三得到的σ可以看出，目前标签天线还不满足匹配要求。

继续调整标签天线参数，调整后的天线的几何尺寸为：螺间距，螺旋半径，线半径，总圈数。计算标签天线阻抗后，在Smith圆图的曲线如图4中的曲线B。重复步骤二得到反射系数的模|Γ|在频带902MHz~928MHz的值为：0～0.4，再由步骤三得到标签天线与负载的功率传输系数σ在频带902MHz~928MHz的值为：0.84～0.863。如图5所示。可以看出，标签天线实现复阻抗共轭匹配，且在分析频带范围内功率传输系数满足要求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用标签天线端接负载的复阻抗的值，将标签天线阻抗进行归一化变换，以使此时的负载复阻抗映射到Smith圆图的中心；归一化变换为：

$r+jx=\frac{R_A}{R_L}+j\frac{X_A+X_L}{R_L}$

其中，

r+jx为归一化阻抗；

R_A为标签天线端口电阻；

R_L为负载电阻；

X_A为标签天线端口电抗；

X_L为负载电抗；

步骤二：对归一化变换后标签天线阻抗在Smith圆图上所对应的各个点到所述Smith圆图的中心的距离进行测取，获得反射系数的模|Γ|；

步骤三：根据步骤二中得到的反射系数的模|Γ|，计算标签天线与负载的功率传输系数σ＝1-|Γ|²；

步骤四：根据步骤三中得到的功率传输系数σ，判断匹配设计是否满足要求；如果功率传输系数σ满足匹配设计要求的，则说明标签天线与芯片已实现匹配；否则未实现匹配，继续调整天线参数后重复步骤二和步骤三，再进行判断，直至实现匹配。

2.根据权利要求1所述的一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，其特征在于：步骤二中所述的反射系数为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{Z_L-Z_A^{*}}{Z_L+Z_A}---\left(4\right)$

其中：Z_L是负载复阻抗；为标签天线阻抗的复共轭形式。

3.根据权利要求2所述的一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，其特征在于：

功率传输系数σ的取值范围由下列约束式给出：

$r_{\max }=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{P_t{G}_t{G}_r\mathrm{\σ}}{P_{th}}}$

其中，

r_max为标签天线的读取距离；

λ为标签天线的工作波长；

P_t为射频识别系统中发射器的发射功率；

G_t为发射器发射天线的增益；

G_r为标签天线的增益；

P_th为芯片启动的最小门限功率；

计算得到的功率传输系数σ需要满足上式约束关系，标签天线与芯片的阻抗才实现匹配。

4.根据权利要求3所述的一种应用于标签天线设计的复阻抗匹配方法，其特征在于：

步骤四中进一步包含以下过程：

利用步骤三中的约束式，给定其中r_max、P_t、G_t、G_r、P_th的数值，来反推出功率传输系数σ需要满足的值；

r_max为标签天线需要满足的读取距离；P_t为国家规定的射频识别系统发射器的最大传输功率值，P_th为集成芯片厂家给出的值，G_t和G_r分别通过对发射天线和接收天线的测试或仿真获取。