假设天线的Qa=15,其弯折偶极子的长为92mm,宽为8mm。这个尺寸适用于大批量的商业市场,因此从这个例子得出的结论满足商业需求。使用一个典型的电阻值Ra=30Ω,假设使用集成电路的Rcp=1500Ω,Ccp=1.2pF,此时Qcp=10.3。我们的目标是保持10dB的回波损耗,即860MHz和960MHz之间的功率传输效率为90% (全球操作的Gen2标准定义)。
RL=10dB意味着在f0=ω0/2π=908.6MHz(超高频带几何平均值)时,|Γ|=0.316。从式(2.57),得到α=0.196。现在意味着Le+Lh=1/Ccpω20=25.57nH,同时通过式(2.44)可以发现Lh=5.01nH和Le=20.56nH。已知Lse并且使用式(2.52)和式(2.55),很容易得到La=76.83nH和fa=ωa/2π=931.9MHz以满足Qa=15和Ra=30Ω。所有电路参数总结在表2.3中。
表2.3 宽带和Naive天线的电路参数
下一步是设计频率为931.9MHz的天线谐振,Qa=15和R=30Ω满足尺寸约束(92mm×8mm)。宽带天线的几何结构在图2.34中达到谐振条件[DEA10]——具备大量弯折。模拟阻抗Zin的标签电路(天线+L-match)使用力矩法(MoM)得到相应电磁仿真值。在模拟的标签阻抗和电路模型中计算得出的标签阻抗之间达到了完美匹配。
图2.34 宽带RFID标签的几何结构
由电路模型计算的标签阻抗连同共轭集成电路阻抗在图2.35和图2.36中已经绘制。虚部Xin和Xic取消了三个频段,即867MHz、902MHz和948MHz,而实部Rin和Ric工作在879MHz和935MHz。因此,在发生任何频率都不会有完美的匹配。相关的电压反射和电力传输系数如图2.37所示。最大传输发生在876MHz和942MHz,此时-10dB的相对最大观测值在908.6MHz。天线没有达到10dB的回波损耗,超出了860~960MHz频带,但覆盖865~955MHz的频段,该频段是实际的操作频段。在集成电路和标签阻抗匹配的位置对应的频率是回波损耗的最小值。
相比之下,一段naïve短天线以更高的频率fa=1050MHz产生谐振的目的是在f0=908.6MHz提供一个共轭匹配的集成电路。该天线作为宽带天线提供了相同的参数Qa=15和Ra=30Ω。从式(2.43)可以提取剩下的两个参数La=68.2nH和Ca=0.337pF。
图2.35 宽带标签和集成电路的电阻
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图2.36 宽带标签和集成电路电抗的复共轭电抗
图2.37 功率传输系数(PTC)和功率反射系数(Γ)与频率相对为所述宽带标签(普通线)和naïve标签(虚线)
使用第2.2.2节中描述的方法,首先计算Lh,这样在f0时,Re(Za/jLhω0)=Re(Zic),求得Lh=9.77nH。然后从下式可以获得Le:
据此求得Le=9.53nH。由此产生的输入阻抗Zin被绘制在图2.38和图2.39的共轭集成电路阻抗上,而相应的功率反射和功率传输系数被绘制在图2.37上。简单的设计达到在频率908.6MHz的完美匹配,但窄带的出现多于宽带,并且只提供27MHz的10dB回波损耗。因此建议使用双调谐带宽的方法改善。
图2.38 naive标签和集成电路的电阻
图2.39 naïve标签和集成电路电阻的复共轭电抗
显然,相比于宽带标签,在窄带可以更好地实现回波损耗。例如,可以实现14dB的回波损耗,在865~930MHz(包括绝大多数的全球业务,包括北美和欧洲)使用该方法。
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