如何用仿真軟件ADS設(shè)計(jì)UHF RFID標(biāo)簽天線

　　無線射頻識技術(shù)是利用射頻信號來識別物體的自動識別技術(shù)．RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(包括芯片和標(biāo)簽天線)、閱讀器(含閱讀器天線)和后臺主機(jī)組成。當(dāng)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。

　　對于一個射頻~,nOJIJ(RFID)系統(tǒng)來說，標(biāo)簽天線是一個重要的元件之一， 它在標(biāo)簽與閱讀器數(shù)據(jù)通信中起著關(guān)鍵作用。標(biāo)簽天線對于RFID系統(tǒng)的作用相當(dāng)于眼睛對于人類的作用一樣。在常見UHF RFID標(biāo)簽天線中，平面結(jié)構(gòu)的天線占了相當(dāng)大的比例，例如，微帶天線、縫隙天線等。在平面結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)中，許多傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)仍然沿用至今。然而，隨著對系統(tǒng)性能要求的不斷擴(kuò)展，天線傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)面臨許多的問題和挑戰(zhàn)。

　　由美國Agilent公司推出的射頻仿真軟件ADS fAdvanced DesignSystem1軟件是在HP EESOF系列EDA軟件基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來的大型綜合設(shè)計(jì)軟件。它功能強(qiáng)大、簡明直觀且應(yīng)用范圍較廣，除了可以應(yīng)用于射頻和微波電路的設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、DSP設(shè)計(jì)仿真外，還可以用于平面結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計(jì)。

　　而用射頻仿真軟件ADS設(shè)計(jì)UHF RFID標(biāo)簽天線和設(shè)計(jì)普通的平面結(jié)構(gòu)天線又在某些方面有所不同，為了達(dá)到以最大功率傳輸，需要綜合考慮天線設(shè)計(jì)及和其相連的標(biāo)簽芯片阻抗匹配的問題。以下用一個實(shí)例說明用射頻仿真軟件ADS設(shè)計(jì)UHF RFID標(biāo)簽天線的步驟。

　　1 啟動ADS軟件。創(chuàng)建新的工程文件

　　點(diǎn)擊File一>New Project設(shè)置工程文件名稱及存儲路徑；點(diǎn)擊Length Unit設(shè)置長度單位為毫米。再新建一個ADS LAYOUT文件。 

　　2 在Layout中繪制天線

　　繪制時要考慮到是單面還是雙面天線。 

　　3 通過層定義設(shè)置標(biāo)簽天線所用的材料特性等

　　這里我們以設(shè)計(jì)一個采用FR4單面板的標(biāo)簽天線為例。要分別設(shè)置Substrate Layer(介質(zhì)層)和Metallization Layer(金屬層)。 

　　3．1 Substrate Layer(介質(zhì)層)的設(shè)置

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

　　進(jìn)入Substrate Layer層定義對話窗口。這里我們將所需要的天線的層結(jié)構(gòu)設(shè)置成如圖1所示?？梢姴捎昧似胀‵R4板材(介電常數(shù)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(shè)置 

　　從主菜單開始通過以下方法Momentum =>Substrate=>Create／Modify，進(jìn)入Metallization Layer層定義對話窗口(如圖2)。這里作如下設(shè)置：在Conductivity中填電導(dǎo)率，Thickness中填金屬厚度。其中銅的電導(dǎo)率為5．78E+OO6，厚度為0．035ram。在這些都設(shè)置結(jié)束以后點(diǎn)擊Apply和OK就可以了。 

　　4 端口定義 

　　標(biāo)簽天線的端口阻抗設(shè)置和普通天線端口阻抗不同，不是常見的50tq或750，要和其相連的標(biāo)簽芯片阻抗匹配。在ADS中，先選中 加兩個Port。再用鼠標(biāo)選中端口，由Momentum =>Port Editor，進(jìn)行編輯。

　　由于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(shè)計(jì)采用一個Internal port配合一個Ground Reference Port的方案。在Port 2的設(shè)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中填人端口的阻抗參數(shù)值(注意要和其相連的標(biāo)簽芯片阻抗匹配。這里我們用的是TI公司的RI—UHF-STRAP一08芯片，頻率為915 MHz時的芯片阻抗為9．9-j60．53歐姆)，如圖3 

　　5 剖分網(wǎng)格Mesh和S 參數(shù)仿真的設(shè)置

　　我們在Momentum 仿真前，在Momentum =>Mesh=>setuD中設(shè)置剖分網(wǎng)格Mesh，Mesh的設(shè)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，我們采用Mesh的默認(rèn)值，即：Mesh Frequency為后面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(xiàn)一個對話框?qū)參數(shù)仿真進(jìn)行設(shè)置，如圖4。在Sweep Type中可以選擇，然后點(diǎn)擊update及Simulate，開始仿真，即得到s參數(shù)仿真結(jié)果。

圖4 S參數(shù)仿真設(shè)置

　　6 觀察天線的增益、效率等 

　　為了觀察看遠(yuǎn)場2D輻射圖，ADS要在Momentum=>Post—Pmcessing=>Radiation Pattern中做如圖5設(shè)置，這里要將頻率設(shè)置為天線中心諧振頻率。點(diǎn)擊Compute后，得到遠(yuǎn)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(shù)的優(yōu)化

圖5 Radimion Pattern 中的設(shè)置

圖6優(yōu)化尺寸參數(shù)設(shè)置

　　如果得到仿真結(jié)果不理想，可以使用ADS Layout中的optimization，完成對于天線的優(yōu)化。

　　我們從主菜單開始通過以下方法Momentum一>Optimization一>parameters，進(jìn)入優(yōu)化天線尺寸參數(shù)設(shè)置對話框(如圖6)。其中，Nominal Value是當(dāng)前設(shè)計(jì)中天線w這個尺寸參數(shù)大小，Perturbed Value是接下來要調(diào)整到的目標(biāo)尺寸值，這兩個值設(shè)置后需要通過手工方式將w這個尺寸參數(shù)調(diào)整為PerturbeA Value值，這樣計(jì)算機(jī)才知道是要對w這個尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時可以對一個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以同時對多個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

　　設(shè)置完優(yōu)化天線尺寸參數(shù)后，再進(jìn)入Momentum一>Optimization一>Goal，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)，優(yōu)化的目標(biāo)主要是S11,S21參數(shù)，不可以對介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過進(jìn)行一系列參數(shù)的優(yōu)化，可得到最理想的結(jié)果。最后結(jié)果如圖7。 

圖7最后優(yōu)化結(jié)果

　　采用射頻仿真軟件ADS設(shè)計(jì)UHF RFID標(biāo)簽天線的步驟和注意事項(xiàng)大體如上，由于篇幅有限，有些并沒深入展開，許多還要自己動手實(shí)踐摸索。