射頻仿真軟體ADS設計UHF RFID標籤天線的步驟解析

2020-11-22 電子發燒友

無線射頻識技術是利用射頻信號來識別物體的自動識別技術．RFID系統由電子標籤（包括晶片和標籤天線）、閱讀器（含閱讀器天線）和後臺主機組成。當前，射頻識別工作頻率包括頻率為低頻（125KHz、134KHz）、高頻頻段（13．56MHz）、UHF超高頻段（860～960MHz）和 2．45GHz以上的微波頻段等。

對於一個射頻~，nOJIJ（RFID）系統來說，標籤天線是一個重要的元件之一， 它在標籤與閱讀器數據通信中起著關鍵作用。標籤天線對於RFID系統的作用相當於眼睛對於人類的作用一樣。在常見UHF RFID標籤天線中，平面結構的天線佔了相當大的比例，例如，微帶天線、縫隙天線等。在平面結構天線的設計中，許多傳統的設計技術仍然沿用至今。然而，隨著對系統性能要求的不斷擴展，天線傳統的設計技術已經面臨許多的問題和挑戰。

由美國Agilent公司推出的射頻仿真軟體 ADS fAdvanced DesignSystem1軟體是在HP EESOF系列EDA軟體基礎上發展完善起來的大型綜合設計軟體。它功能強大、簡明直觀且應用範圍較廣，除了可以應用於射頻和微波電路的設計、通信系統的設計、DSP設計仿真外，還可以用於平面結構天線的設計。

而用射頻仿真軟體ADS設計UHF RFID標籤天線和設計普通的平面結構天線又在某些方面有所不同，為了達到以最大功率傳輸，需要綜合考慮天線設計及和其相連的標籤晶片阻抗匹配的問題。以下用一個實例說明用射頻仿真軟體ADS設計UHF RFID標籤天線的步驟。

1 啟動ADS軟體。創建新的工程文件

點擊File一》New Project設置工程文件名稱及存儲路徑；點擊Length Unit設置長度單位為毫米。再新建一個ADS LAYOUT文件。

2 在Layout中繪製天線

繪製時要考慮到是單面還是雙面天線。

3 通過層定義設置標籤天線所用的材料特性等

這裡我們以設計一個採用FR4單面板的標籤天線為例。要分別設置Substrate Layer（介質層）和Metallization Layer（金屬層）。

3．1 Substrate Layer（介質層）的設置

從主菜單開始通過以下方法Momentum=》substrate=》create／M0d ，

進入Substrate Layer層定義對話窗口。這裡我們將所需要的天線的層結構設置成如圖1所示。可見採用了普通FR4板材（介電常數約4．6），損耗正切Loss Tangent為0．018，板厚1．5mm。

3．2 Metallization Layer（金屬層）的設置

從主菜單開始通過以下方法Momentum =》Substrate=》Create／Modify，進入Metallization Layer層定義對話窗口（如圖2）。這裡作如下設置：在Conductivity中填電導率，Thickness中填金屬厚度。其中銅的電導率為5．78E+OO6，厚度為 0．035ram。在這些都設置結束以後點擊Apply和OK就可以了。

4 埠定義

標籤天線的埠阻抗設置和普通天線埠阻抗不同，不是常見的50tq或750，要和其相連的標籤晶片阻抗匹配。在ADS中，先選中 加兩個Port。再用滑鼠選中埠，由Momentum =》Port Editor，進行編輯。

由於在前面的層定義中取消了GND，所以不能定義Single Port（Not Available），所以本設計採用一個 Internal port配合一個Ground Reference Port的方案。在Port 2的設置中，Associate with port number中，寫入1，表示Port2是Portl的參考地。在Port1的Real和 Imaginary中填人埠的阻抗參數值（注意要和其相連的標籤晶片阻抗匹配。這裡我們用的是TI公司的RI—UHF-STRAP一08晶片，頻率為 915 MHz時的晶片阻抗為9．9-j60．53歐姆），如圖3

5 剖分網格Mesh和S 參數仿真的設置

我們在Momentum 仿真前，在 Momentum =》Mesh=》setuD中設置剖分網格Mesh，Mesh的設置決定了仿真的精度。通常，Mesh Frequency和Numb er of Cells Per Wavelength越大，精度越高。但是這是以仿真時間的增加為代價的。有時不得不以精度的降低換取仿真時間的減小。

在本例中，我們採用Mesh的默認值，即：Mesh Frequency為後面S 仿真中的頻率上限值990MHz，Numb er of Cells Per Wavelength為2O。再選擇主菜單Momentum中的 Simulation—s parameters，出現一個對話框對S參數仿真進行設置，如圖4。在Sweep Type中可以選擇，然後點擊 update及Simulate，開始仿真，即得到s參數仿真結果。

圖4 S參數仿真設置

6 觀察天線的增益、效率等

為了觀察看遠場2D輻射圖，ADS要在Momentum=》Post—Pmcessing=》Radiation Pattern中做如圖 5設置，這裡要將頻率設置為天線中心諧振頻率。點擊Compute後，得到遠場2D輻射圖或3D輻射圖。從中可看出天線極化特性、天線增益、天線效率、方向圖等。

7 天線參數的優化

圖5 Radimion Pattern 中的設置

圖6優化尺寸參數設置

如果得到仿真結果不理想，可以使用ADS Layout中的optimization，完成對於天線的優化。

我們從主菜單開始通過以下方法Momentum一》Optimization一》parameters，進入優化天線尺寸參數設置對話框 （如圖6）。其中，Nominal Value是當前設計中天線w這個尺寸參數大小，Perturbed Value是接下來要調整到的目標尺寸值，這兩個值設置後需要通過手工方式將w這個尺寸參數調整為PerturbeA Value值，這樣計算機才知道是要對w這個尺寸參數進行優化。優化時可以對一個參數進行優化，也可以同時對多個參數進行優化。

設置完優化天線尺寸參數後，再進入Momentum一》Optimization一》Goal，設置優化的目標，優化的目標主要是S11，S21參數，不可以對介電常數、介質板厚度等參數進行優化。通過進行一系列參數的優化，可得到最理想的結果。最後結果如圖 7。

圖7最後優化結果

採用射頻仿真軟體ADS設計UHF RFID標籤天線的步驟和注意事項大體如上，由於篇幅有限，有些並沒深入展開，許多還要自己動手實踐摸索。

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