基于ADS设计UHF RFID标签天线

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无线射频识技术是利用射频信号来识别物体的自动识别技术．RFID系统由电子标签(包括芯片和标签天线)、阅读器(含阅读器天线)和后台主机组成。当前，射频识别工作频率包括频率为低频(125KHz、134KHz)、高频频段(13．56MHz)、UHF超高频段(860～960MHz)和 2．45GHz以上的微波频段等。
　　对于一个射频~,nOJIJ(RFID)系统来说，标签天线是一个重要的元件之一， 它在标签与阅读器数据通信中起着关键作用。标签天线对于RFID系统的作用相当于眼睛对于人类的作用一样。在常见UHF RFID标签天线中，平面结构的天线占了相当大的比例，例如，微带天线、缝隙天线等。在平面结构天线的设计中，许多传统的设计技术仍然沿用至今。然而，随着对系统性能要求的不断扩展，天线传统的设计技术已经面临许多的问题和挑战。
　　由美国Agilent公司推出的射频仿真软件 ADS fAdvanced DesignSystem1软件是在HP EESOF系列EDA软件基础上发展完善起来的大型综合设计软件。它功能强大、简明直观且应用范围较广，除了可以应用于射频和微波电路的设计、通信系统的设计、DSP设计仿真外，还可以用于平面结构天线的设计。
　　而用射频仿真软件ADS设计UHF RFID标签天线和设计普通的平面结构天线又在某些方面有所不同，为了达到以最大功率传输，需要综合考虑天线设计及和其相连的标签芯片阻抗匹配的问题。以下用一个实例说明用射频仿真软件ADS设计UHF RFID标签天线的步骤。
　　1 启动ADS软件。创建新的工程文件
　　点击File一>New Project设置工程文件名称及存储路径；点击Length Unit设置长度单位为毫米。再新建一个ADS LAYOUT文件。
　　2 在Layout中绘制天线
　　绘制时要考虑到是单面还是双面天线。
　　3 通过层定义设置标签天线所用的材料特性等
　　这里我们以设计一个采用FR4单面板的标签天线为例。要分别设置Substrate Layer(介质层)和Metallization Layer(金属层)。
　　3．1 Substrate Layer(介质层)的设置
　　从主菜单开始通过以下方法Momentum=>substrate=>create／M0d ，
　　进入Substrate Layer层定义对话窗口。这里我们将所需要的天线的层结构设置成如图1所示。可见采用了普通FR4板材(介电常数约4．6)，损耗正切Loss Tangent为0．018，板厚1．5mm。


　　3．2 Metallization Layer(金属层)的设置
　　从主菜单开始通过以下方法Momentum =>Substrate=>Create／Modify，进入Metallization Layer层定义对话窗口(如图2)。这里作如下设置：在Conductivity中填电导率，Thickness中填金属厚度。其中铜的电导率为5．78E+OO6，厚度为 0．035ram。在这些都设置结束以后点击Apply和OK就可以了。
　　4 端口定义
　　标签天线的端口阻抗设置和普通天线端口阻抗不同，不是常见的50tq或750，要和其相连的标签芯片阻抗匹配。在ADS中，先选中 加两个Port。再用鼠标选中端口，由Momentum =>Port Editor，进行编辑。
　　由于在前面的层定义中取消了GND，所以不能定义Single Port(Not Available)，所以本设计采用一个 Internal port配合一个Ground Reference Port的方案。在Port 2的设置中，Associate with port number中，写入1，表示Port2是Portl的参考地。在Port1的Real和 Imaginary中填人端口的阻抗参数值(注意要和其相连的标签芯片阻抗匹配。这里我们用的是TI公司的RI—UHF-STRAP一08芯片，频率为 915 MHz时的芯片阻抗为9．9-j60．53欧姆)，如图3

5 剖分网格Mesh和S 参数仿真的设置
　　我们在Momentum 仿真前，在 Momentum =>Mesh=>setuD中设置剖分网格Mesh，Mesh的设置决定了仿真的精度。通常，Mesh Frequency和Numb er of Cells Per Wavelength越大，精度越高。但是这是以仿真时间的增加为代价的。有时不得不以精度的降低换取仿真时间的减小。
　　在本例中，我们采用Mesh的默认值，即：Mesh Frequency为后面S 仿真中的频率上限值990MHz，Numb er of Cells Per Wavelength为2O。再选择主菜单Momentum中的 Simulation—s parameters，出现一个对话框对S参数仿真进行设置，如图4。在Sweep Type中可以选择，然后点击 update及Simulate，开始仿真，即得到s参数仿真结果。

图4 S参数仿真设置
6 观察天线的增益、效率等
　　为了观察看远场2D辐射图，ADS要在Momentum=>Post—Pmcessing=>Radiation Pattern中做如图 5设置，这里要将频率设置为天线中心谐振频率。点击Compute后，得到远场2D辐射图或3D辐射图。从中可看出天线极化特性、天线增益、天线效率、方向图等。
　　7 天线参数的优化

图5 Radimion Pattern 中的设置

图6优化尺寸参数设置
如果得到仿真结果不理想，可以使用ADS Layout中的optimization，完成对于天线的优化。
　　我们从主菜单开始通过以下方法Momentum一>Optimization一>parameters，进入优化天线尺寸参数设置对话框 (如图6)。其中，Nominal Value是当前设计中天线w这个尺寸参数大小，Perturbed Value是接下来要调整到的目标尺寸值，这两个值设置后需要通过手工方式将w这个尺寸参数调整为PerturbeA Value值，这样计算机才知道是要对w这个尺寸参数进行优化。优化时可以对一个参数进行优化，也可以同时对多个参数进行优化。
　　设置完优化天线尺寸参数后，再进入Momentum一>Optimization一>Goal，设置优化的目标，优化的目标主要是S11,S21参数，不可以对介电常数、介质板厚度等参数进行优化。通过进行一系列参数的优化，可得到最理想的结果。最后结果如图 7。

图7最后优化结果
采用射频仿真软件ADS设计UHF RFID标签天线的步骤和注意事项大体如上，由于篇幅有限，有些并没深入展开，许多还要自己动手实践摸索。