多重環形電感 RFID 天線之等效電路

本節針對上述多重環形電感 RFID 天線架構提出一等效電路，由於天線之架 構為對稱性結構，因此以其中央對稱對天線之一半結構建構等效電路，另一半結 構亦為相同之等效電路，首先針對單一電感性圓環 RFID 天線建構等效電路如圖 3.11(b)所示，圖 3.11(a)為等效電路對應之天線結構，天線之饋入點即為等效電路 之輸入埠，中央對稱線則為等效電路之接地點，圖中亦標示天線與等效電路之對 應結構，其中 S

₀

線段對應至電感 L

₀

，S

₁₁

與 S

₁₂

線段對應至電感 L

₁

，S

_a1

、S

_a2

、S

_a3

之偶極天線臂對應至電感 L

a

、電阻 R

a

及電容 C

a

，此外，由於天線結構中之電感 性圓環部份會產生電磁耦合的效應，因此於等效電路中使電感 L

₀

與 L

₁

為具有互 感 之 電 感 以 等 效 天 線 結 構 之 電 磁 耦 合 效 應 ， 其 互 感 係 數 (mutual-coupling coefficient)為 K

01

。同理，雙重電感性圓環 RFID 天線之等效電路如圖 3.12(b)所 示，圖 3.12(a)為其對應之天線結構，增加的第二圈電感性圓環 S

21

與 S

22

線段對 應至電感 L

₂

，而 S

_s

線段則對應至電感 L

_s

，雙重電感性圓環相較於單一電感性圓 環增加了電感 L

2

與 L

s

，同樣地雙重電感性圓環之間亦會產生電磁耦合效應，因 此使等效電路中 L

₀

、L

₁

、L

₂

為相互具有互感之電感，以等效雙重電感性圓環之電 磁耦合效應，其互感係數分別為 K

01

、K

02

、K

12

。

35

36

針對不同圈數電感性圓環之天線架構建立等效電路後，分別使用電路模擬軟 體 Microwave Office 模擬等效電路輸入阻抗與使用電磁模擬軟體 HFSS 模擬天線 輸入阻抗，兩者之比較如圖 3.13 所示，圖 3.13(a)為 HFSS 模擬之天線輸入阻抗，

圖 3.13(b)為 Microwave Office 模擬之等效電路輸入阻抗，由兩圖之比對可以觀察 出，等效電路輸入阻抗曲線與天線輸入阻抗曲線非常近似，且增加電感性圓環之 後兩者的變化趨勢亦非常近似，等效電路之各元件值列表如表 3.1 所示，由表中 可比對得知，雙重電感性圓環與單一電感性圓環天線結構相同的部份，其對應的 等效電路元件值皆維持不變，只有增加第二圈電感性圓環所對應的電感 L

2

與 L

s

， 及因為 S

_a1

線段縮短稍微降低電感 L

_a

的值與雙重電感性圓環對應的互感係數稍微 改變。

37

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

One inductive loop Two inductive loops

(a)

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

One inductive loop Two inductive loops One inductive loop Two inductive loops

(a)

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

One inductive loop Two inductive loops

0

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

One inductive loop Two inductive loops One inductive loop Two inductive loops

0

Element One inductive loop

Two inductive

loops

38

此外，針對雙重環形電感 RFID 天線參數變化亦對其建構等效電路的模擬，

圖 3.14 為當第二圈電感性圓環大小變化時天線與等效電路之比對，圖 3.14(a)為 HFSS 模擬之天線輸入阻抗，圖 3.14(b)為 Microwave Office 模擬之等效電路輸入 阻抗，由兩圖比對可觀察出，等效電路之變化趨勢與天線模擬之變化趨勢非常吻 合，等效電路之各元件值列表如表 3.2 所示，由表中比對可得知，改變第二圈電 感性圓環之大小時，即改變線段 S

a1

、S

s

、S

21

、S

22

之長度，只有與之對應的電感

L ₂

與 L

_s

之值改變，及因 S

_a1

線段改變而電感 L

_a

的值些微降低與第二圈電感性圓 環對應的互感係數稍微改變。

圖 3.15 為當偶極天線臂變化時天線與等效電路之比對，圖 3.15(a)為 HFSS 模擬之天線輸入阻抗，圖 3.15(b)為 Microwave Office 模擬之等效電路輸入阻抗，

由兩圖之比對可觀察出，等效電路之變化趨勢與天線模擬之變化趨勢亦非常吻 合，等效電路之各元件值列表如表 3.3 所示，由表中比對可得知，改變偶極天線 臂長度時，即改變線段 S

a3

之長度，只有與偶極天線臂對應的電感 L

a

與電阻 R

a

之值改變，其餘之元件值皆維持不變。

39

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

0

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

0

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

0

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

2

24 mm

2

6mm

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

2

24 mm

2

6mm

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

2

24 mm

2

6mm

40

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

(a)

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

(a)

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

(b)

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

(b)

41

經由上述對不同電感性圓環圈數及其他參數變化建構之等效電路與天線之 比對，可得知當天線結構改變時，只需改變對應之等效電路元件值即可模擬與天 線相同之輸入阻抗變化，由此可見，此等效電路可準確地等效出天線結構，因而 在設計上可透過調整等效電路之元件值來預測天線結構上的改變將會對天線輸 入阻抗有何影響。

此外，由等效電路的建構可分析出，增加第二圈電感性圓環在等效電路上為 並聯 L

2

電感，並聯此一電感後將可使得輸入阻抗的實部值降低，而虛部值僅些 微地改變，並使實虛部阻抗隨頻率之變化更趨平緩，因此，由等效電路可得知並 聯 L

2

電感具有可提高阻抗調整之自由度與增加頻寬之效果。

42

在文檔中 應用於無線辨識系統之多重環形電感標籤天線 (頁 42-50)