多重環形電感 RFID 天線之設計概念

鑑於第二章之幾款設計在輻射增益與匹配上之特性不盡理想，本章提出一使 用多重環形電感 RFID 天線之設計，可改善前述設計之缺點，並具有較寬頻之頻 寬與較佳的特性，首先在本章的設計中，天線的輻射體採用偶極天線(dipole antenna)架構，偶極天線之輻射場型為一甜甜圈場型，其 H-plane 的場型為全向 性，適用於 RFID 天線之應用，偶極天線所需之共振路徑為二分之一波長，操作 於 915MHz 時為 164mm，然而偶極天線輸入阻抗之虛部乃呈現電容性，因此需 要設計適當的阻抗匹配網路使其具有電感性之虛部與適當的實部。而為了實現電 感性的虛部，採取的方法為於饋入端之兩端附近增加一矩形小圓環路徑，由偶極 天線之一臂(arm)分支一小段走線至偶極天線的另一臂，此小圓環之一邊長即為 偶極天線臂之一部份，天線結構圖如圖 3.1 所示，天線之單一臂長為 86mm，約 為操作頻率之四分之一波長，並為使面積縮小將天線臂末端向上彎折，微晶片由 中央之狹縫(gap)饋入，電流之分佈分為兩個路徑，一為電流由饋入之一端流向 偶極天線臂之末端，另一路徑為電流由饋入之一端出發，繞行矩形小圓環路徑後 流回饋入之另一端。天線之尺寸參數為：

l =100mm、w=15mm、l 1

=25mm、

l w

=2mm、

l a1

=17mm、l

b1

=3mm。



1



w



1 w

 a

1



b

y x



1



w



1 w

 a

1



b



1



w



1 w

 a

1



b

y x y

x

圖3.1 單一環形電感 RFID 天線

27

使天線之反射損耗(return loss)曲線於共振頻率點附近出現兩個低點，其具有寬頻 的效果。此外，由圖中亦可觀察出，當電感性圓環增大時，除了實虛部阻抗值變 大外，實虛部阻抗隨頻率的變化亦會增大，此特性將使得阻抗頻寬減小。

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

1

17 mm

1

3mm

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

1

17 mm

1

3mm

28

改善此一缺點，進一步的設計為在原本的矩形圓環外側再加上第二圈的矩形圓 環，成為雙重電感性圓環的匹配網路，如圖 3.3 所示，偶極的單一臂長為 90mm，

天線之尺寸參數為：l =100mm、w=15mm、l

1

=29mm、l

w

=2mm、l

a1

=18mm、l

b1

=3mm、l

a2

=24mm、l

b2

=6mm。



1

 w



1 w

 a ^{a 2}



1



b

2



b

y x



1

 w



1 w

 a ^{a 2}



1



b

2



b



1

 w



1 w

 a ^{a 2}



1



b

2



b

y x y

x

圖3.3 雙重環形電感 RFID 天線

加上第二圈電感性圓環後可降低天線實部阻抗值，而虛部阻抗幾乎維持原本 的值，其變化很小，加上第二圈電感性圓環後天線阻抗之變化如圖 3.4，由圖中 可觀察出，當只有單一圈電感性圓環時，於共振頻率點天線輸入阻抗值為 29.6+j66.0Ω，加上第二圓電感性圓環經適當調整後，共振頻率點的阻抗值變為 18.0+ j66.7Ω，經比較後可以發現實部阻抗值下降了 11.6Ω，而虛部阻抗值幾乎 維持不變，因此可利用此一特性來實現實虛部阻抗可獨立調整之匹配網路，欲分 別調整天線實虛部阻抗的方法為：先改變第一圈電感性圓環的大小，使天線阻抗 之虛部接近所需設計的值，此時實部阻抗值可能太大，再利用加上第二圈之電感 性圓環來降低實部阻抗至所需設計的值，如此便可分別地調整天線輸入阻抗實虛 部之值至所欲匹配的微晶片阻抗值，提高了天線輸入阻抗調整之自由度。

29

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

0

One inductive loop Two inductive loops

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω ) Reac ta nc e ( Ω )

0

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

圖3.4 單一環形電感與雙重環形電感天線輸入阻抗之比較

30

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

2

24 mm

2

6mm

700 800 900 1000 1100

Frequency (MHz) 0

Resi sta n ce (Ω )

0

Reac ta nc e ( Ω )

2

24 mm

2

6mm

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 34-38)