由图4可见天线输入阻抗的虚部在谐振频率附近比较平坦,使得天线和芯片阻抗在一个较宽的频段内共轭匹配,阻抗带宽达到77 MHz(S11<-10 dB)。在867 MHz和915 MHz附近有两个谐振峰,天线方向图满足全向性。
3 天线性能分析
在实际制作天线前,我们先对仿真结果进行了评价分析。由于IE3D软件模拟分析得到的天线增益是建立在系统特征阻抗为50 Ω的系统上的,而本文所设计的标签天线是输入阻抗为与芯片阻抗共轭匹配,因此模拟分析结果需要对天线正规化才能得到正确的方向性(D0)与有效接收面积。
其中λ0=c/f本文天线设计主要针对阻抗做最大功率转移匹配,由式(6)标签芯片与标签天线阻抗介面的反射系数(Γta),定义功率不匹配因数(Tag Power Mismatch Factor,TPMF)为式(7),当阻抗为共轭匹配时,TPMF为1。
其中TPMF值预测了天线与芯片的阻抗匹配程度,而Aem,tag预测了天线有效接收面积。以PHILIPS公司的SL3S3001 FTT芯片的阻抗为参考,分析了上文设计的标签天线的特性,如表2所示。文献[8]中设计的四种标签天线的有效面积最大达到900多cm2,而本文设计的天线在867 MHz和915 MHz处的有效面积在1 300 cm2以上,TPMF也达到0.8左右,可见天线性能均比较理想。
4 试验测量
根据所设计的标签天线尺寸,制作了如图5所示的标签天线实物。
标签天线的大小为60 mm×44 mm,满足一般应用对标签面积的要求,标签使用的是Philips公司的SL3S3001FTT芯片,符合ISO18000标准。应用支持该标准的AWID公司的阅读器进行测量,在辐射功率为4 W,标签天线与阅读器天线面平行的测量条件下,中心频率为867 MHz时阅读距离为1.9 m;中心频率为915 MHz时阅读距离可达2.4 m,基本达到应用要求。由于实验室制作条件所限,我们采用蚀刻技术制作的标签天线精度不到±0.1 mm,而从仿真结果可见只有保证±0.05 mm的精度,制作公差的影响才可忽略不记,因此在保证制作精度的条件下,阅读距离应该可以进一步增加。
5 结语
耦合馈电结构的电子标签天线具有结构简单,阻抗实部虚部可单独调节,阻抗带宽较宽等优点,本文设计的电子标签结构非常简单,针对不同芯片的阻抗匹配方便,带宽达到77 MHz,在867 MHz和915 MHz处有两个谐振频率,可同时满足欧洲和美国的UHF射频频段标准。