第二章 RFID 天線設計
2.4 環形 RFID 天線
鑑於 RFID 天線之輸入阻抗必須為一較小實部與電感性虛部，回顧常見之天 線架構，其中小圓環天線(small loop antenna)即為具有小實部與電感性虛部之特 性[18]，因此本節之設計便是以此基本架構為基礎，設計符合本論文規格之天 線，以下就小圓環天線之概念做一簡單之介紹。
如圖 2.9(a)，為一小圓環天線，電流由一端饋入，繞行一小圓環路徑後由另 一端流出，由於小圓環的周長很小於操作頻率之波長，因此在小圓環路徑上之電 流為同方向均勻分佈，其可等效成為圖 2.9(b)之等效電路，包含兩電阻及一電感，
因此其輸入阻抗可表示如式(2.1)，其中 R
r
為輻射電阻(radiation resistance)、Rohm
為歐姆電阻(ohmic resistance)、L 為輸入電感(input inductance)，故其輸入阻抗可 具有一電感性之虛部，而小圓環天線之輻射電阻與歐姆電阻通常很小，所以天線 之輸入阻抗為小實部與電感性虛部。
in r ohm
Z R R j L
(2.1)圖2.9 (a) 小圓環天線 (b) 等效電路
小圓環天線可視為一等效磁偶極(magnetic dipole)在小圓環之中心軸，如圖 2.10(a)所示，而圖 2.10(b)為一電流方向在 z 軸之短偶極(short dipole)天線，由於 小圓環天線之電場與磁場與短偶極天線之電場與磁場互為對偶(dual)，因此，小
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圓環天線之輻射場型與短偶極之輻射場形相同，為一零點在 z 軸之甜甜圈場型，
如圖 2.10(c)所示。
圖2.10 (a) 小圓環天線 (b) 短偶極天線 (c) 輻射場型
基於上述小圓環天線之概念，並以金屬走線來實現小圓環之架構，模擬一 半徑為 15mm 線寬為 3mm 之圓環，由模擬結果得到在 915MHz 時其輸入阻抗 值為 11+j428Ω，實部阻抗雖然接近所需匹配之值，但虛部阻抗顯然太大，因 此需要降低虛部的電感值，以符合所欲匹配之微晶片阻抗。
為了降低虛部之值，於圓環上距饋入端 180 度之位置連接兩段間距僅 0.4mm 之相鄰走線，如圖 2.11(a)所示，此相鄰走線可視為串聯一開路端(open end) 傳輸線，開路端傳輸線之輸入阻抗為
Z in jZ 0 cot
，在長度小於四分之波長 時為電容性阻抗，因此可降低虛部阻抗的值，且改變開路端傳輸線的長度可調 整共振頻率，增長開路端傳輸線長度，會使共振頻率往高頻移，經由適當調整 開路端傳輸線之長度與圓環之大小後，其輸入阻抗在 915MHz 之阻抗值為 4.33+j60.72，由模擬可得虛部阻抗值有效地降低了，但由於共振頻率也往高頻 移，使得實部阻抗亦跟著下降，約在 4Ω左右。整體天線之尺寸為 38.6mm×38.6mm(14.9cm
2
)。另一調整天線輸入阻抗之方法為在其饋入端再連接兩段如上述之相鄰走 線，如圖 2.11(b)所示，由於是連接於饋入端之兩端，可視為並聯一開路端傳輸 線，同樣地調整其長度可調整天線之輸入阻抗與共振頻率，經由適當地選擇並
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聯開路端傳輸線長度與串聯開路端傳輸線長度及線寬，輸入阻抗隨頻率的響應 如圖 2.12，在 915MHz 之阻抗值為 8.33+j74.1，實虛部皆較接近所需設計之值，
整體天線之尺寸維持 38.6mm×38.6mm(14.9cm
2
)，輻射場型為零點在 z 軸之甜甜700 800 900 1000 1100
Frequency (MHz) 0
915 MHz 66.81
915 MHz 8.339
Real part Imaginary part
Impe da nc e ( Ω )
700 800 900 1000 1100
Frequency (MHz) 0
915 MHz 66.81
915 MHz 8.339
Real part Imaginary part Real part Imaginary part
Impe da nc e ( Ω )
圖2.12 環形 RFID 天線輸入阻抗