可用作功率放大器中电感的RFID标签天线的设计

于毅敏，李建雄，曲海涛，毛陆虹

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.天津大学电子信息工程学院，天津300072）

可用作功率放大器中电感的RFID标签天线的设计

于毅敏1，李建雄1，曲海涛1，毛陆虹2

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.天津大学电子信息工程学院，天津300072）

提出一种小型化的、谐振频率为2.45 GHz的RFID标签天线的设计方法，标签天线被设计作为差分功率放大器（PA）的谐振电感.由于使用PCB偶极子天线代替两个片上的集成电感，总的放大器芯片面积降低到240 μm×70 μm.对该天线进行理论计算和实物测试，结果显示实物标签天线谐振频率为2.45 GHz，PA工作于AB类型，供电电压为1.8 V，输入信号频率为2.45 GHz，在1 dB压缩点处PA输出功率为8 dBm.

射频识别；标签天线；功率放大器；谐振电感

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术是一种通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，从而对目标进行识别并获取相关数据的技术.它具有精度高、读取距离大、读写速度快、存储数据容量大、适应能力强等许多优点，得到了广泛的关注.近年来，RFID技术发展迅速，应用于多个领域[1-3].在设计功率放大器（power amplifier，PA）过程中，线性度和芯片面积通常是最重要的影响因素.为了实现最优的PA设计，现今涌现出许多高集成的、高线性度的PA产品，然而，在这些PA产品的设计过程中，基本都是应用片上或片外的射频电感来作为其电路的组成部分[4-5].由于片上的射频电感会占用很大的芯片面积，进一步增加生产制造成本；而片外的射频电感会导致较低的芯片集成密度.综上所述，如何减小PA芯片上射频电感占用面积，从而设计出总面积更小、集成化更高的PA芯片，成为一个热点问题.本文提出了一种偶极子标签天线，天线的输入电阻和电抗可以分别通过选择合适的几何参数来实现，这使得天线容易匹配具有小阻抗和大电抗的标签芯片[6].本设计中标签天线作为PA的谐振电感，代替PA原有的谐振电感.原有芯片上的射频电感器总占地面积很大，生产成本将会相应增加，然而使用PCB天线作为PA电路的一部分，使PA在CMOS工艺加工下去除片上的谐振电感，可极大地减少PA芯片电路的总面积.

1 天线电路设计原理

本设计中，偶极子标签天线作为PA电路的一部分，PA电路模型如图1所示.

图1 PA的电路模型Fig.1 Schematic of PA circuit

图1中，M1至M4为串联晶体管，与CO1、CO2都属于片上器件[7-8].根据天线设计理论得知，PCB天线的输入阻抗设计是为了提供串联电感和电阻[9].偶极子天线的等效电路如图2所示.

图2 偶极子天线的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of dipole antenna

图2中，La1和La2为等效电感，Ra1和Ra2为等效辐射电阻.La1、La2、Ra1、Ra2与片上电容CO1、CO2共同组成谐振电路，该电路谐振在工作频率的同时滤除二次及以上的谐波.上述的等效RLC谐振电路如图3所示.

图3 等效RLC谐振电路Fig.3 Equivalent RLC resonant circuit

假设La1=La2=La，Ra1=Ra2=Ra，CO1=CO2=CO，La1′=La2′=La′，Ra1′=Ra2′=Ra′，可得：

式中：QRLC表示谐振电路的Q值，

PA的最大输出功率POUTmax由负载阻抗Ra′和电源电压VDD决定：

经过上述分析，为使电路工作在谐振频率f=2.45 GHz和得到理想的QRLC，等效电感La1被设计为5 nH.考虑寄生电容的影响，片上电容被设计为650 fF.在电源电压为1.8V时，为得到最大输出功率10 mW，即VDD= 1.8 V，POUTmax=10 mW，代入（4）式，经过计算，可以得知：

2 天线结构

本文在仿真软件HFSS v12的辅助下，设计了一个工作频率在2.45 GHz的偶极子标签天线.根据天线的尺寸及谐振频率要求来选择合理的天线板材及结构参数.天线的几何结构如图4所示.

图4 标签天线的几何结构Fig.4 Geometry of proposed tag antenna

天线的总体尺寸为21.91 mm×31.5 mm；基板材料为Duroid，其中介电常数εr=2.2，损耗正切角tan δ=0.009，厚度H=1 mm.其它结构参数为：L1=15mm，L2= 14 mm，L3=3.75 mm，L4=5 mm，W1=0.83 mm，W2= 2 mm，W3=3.13 mm，D=1.5 mm.

几种类型PA所占面积的比较如表1所示.

表1 PA所占面积比较Tab.1Comparison of PA areas

3 仿真与测试结果

本文利用Ansoft HFSS软件对前文提出的天线结构进行了系统的仿真，并对仿真优化后的天线进行加工制板，最终对实物天线进行测试比较.利用HFSS仿真后的模型如图5所示.天线的中心频率设置为2.45 GHz，天线的回波损耗如图6所示.

图5 仿真模型Fig.5 Simulation model

图6 S11仿真图Fig.6 Simulation of antenna return loss

由图6可知，天线在2.45 GHz处谐振，谐振点处的S11是-40.396 1 dB，且-10 dB带宽为500 MHz.

图7所示为阻抗仿真图.

由图7可知，天线在2.45 GHz时的阻抗值为Za′= 52.940 2+j154.645 9 Ω.由前文可知，天线在2.45 GHz时的设计阻抗值为Za=56+j154 Ω，对比得知，仿真结果与理论分析计算相符.

图7 阻抗仿真图Fig.7 Simulation of antenna impedance

根据上述仿真模型，对天线进行制板，实物图如图8所示.本文使用安捷伦公司生产的矢量网络分析仪E5070B对制板的天线进行测量，通过端口扩展即使用同轴线与天线芯片引出的SMA接口相连，从而测量天线回波损耗等参数.天线背面的引线及SMA焊接如图9所示.

图8 天线实物图Fig.8 Fabricated tag antenna

图9 天线背面图Fig.9 Back of fabricated tag antenna

图10所示为通过网络分析仪所测试的天线回波损耗（S11）.

从图10可以看出天线的谐振中心频率为2.449 GHz、S11为-31.718 dB，与仿真设计中心频率2.45 GHz、S11为-40.396 1 dB基本相匹配.

图10 S11测试图Fig.1 0S11of tag antenna obtained from test

图11所示为实际测量PA的输出功率曲线.测试过程中由网络分析仪产生2.45 GHz输入信号，输出功率的测量采用安捷伦公司的频谱分析仪E4402B.测试结果表明，在电源电压为1.8 V的情况下，PA的P1-dB（1 dB压缩点）为8 dBm，同时布线后的仿真结果如图11所示.

图11 2.45 GHz时测量与仿真输出率图Fig.11 Measured and simulated output power at 2.45 GHz

由图11可知，实际测量与仿真的功率相差5 dBm，这主要是由于射频晶体管的精度不足和传输损耗所导致的.

4 结束语

本文设计了一款2.45 GHz的RFID标签天线，该PCB偶极子天线被应用于PA电路中，代替原有的片上集成电感，作为差分功放的谐振电感.由于减少了两个片上集成电感的使用，总的芯片面积减小到只有240 μm×70 μm.对天线的仿真模型进行加工制板，利用测试设备对样品进行相应测试，结果表明，PA工作于AB类型，供电电压为1.8 V、输入信号频率为2.45 GHz，在1 dB压缩点处PA输出功率为8 dBm.由此建立了一种新型的RFID标签天线和PA之间的匹配方式.

[1]胡汝刚.UHF频段射频识别系统天线研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[2]张文锦，李建雄，毛陆虹.基于多波束切换的便携式RFID阅读器设计[J].天津工业大学学报，2013，32（1）：52-56.

[3]马建欢，李建雄，肖康，等.太阳能电池作为天线辐射体的RFID标签天线的设计[J].天津工业大学学报，2013，32（1）：57-60.

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[9]CHO C，CHOO H，PARK I.Printed symmetric inverted-f antenna with a quasi-isotropic radiation pattern[J].Microwave and Optical Technology Letters，2008，50：927-930.

Design of RFID tag antennas used as inductors in PA

YU Yi-min1，LI Jian-xiong1，QU Hai-tao1，MAO Lu-hong2
（1.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A small 2.45 GHz radio frequency identification（RFID）tag antenna is presented.The RFID tag antenna is designed as a resonance inductance of the differential power amplifier（PA）.The total PA chip area is reduced greatly to only 240 μm×70 μm due to the fact that a printed circuit board（PCB）dipole antenna substitutes for the two on-chip integrated inductors.The proposed design methodology is verified by comparing the calculations and measurements，which show the tag antenna works at 2.45 GHz.Operating in Class-AB with a 1.8 V supply voltage and 2.45 GHz input signal，the PA shows an output power of 8 dBm at the 1 dB compression point.

RFID；tag antenna；power amplifier（PA）；resonance inductance

TN722.1

A

1671－024X（2013）06－0072－04

2013-06-24

国家自然科学基金资助项目（61072010，61372011）

于毅敏（1988—），男，硕士研究生.

李建雄（1969—），男，博士，副教授，硕士生导师.E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn