针对HFSS标签仿真中VSWR异常问题的探讨

针对HFSS 标签仿真中VSWR 异常问题的探讨
尹柳中 2009-5-11
摘要：本文针对HFSS 标签仿真中VSW R ＜1现象做了探讨，主要从驻波比的定义出发，找出了产生这一现象的原因和条件，同时从论证得出的结论出发，讨论了常见50欧端口VSWR ≥1的必然性，从而也佐证分析过程与结论的可靠性。

前言：RFID 是射频身份识别的英文缩写，读写器天线与标签是RFID 系统的两个重要部分，两者的性能是系统性能高低的关键之一，HFSS 等仿真软件的应用是天线和标签设计的有力手段。

在通常的天线仿真中，VSWR ≥1是不诤的常识，然而，在标签的仿真中，常常还会遇到VSWR ＜1，甚至为负的情况，让工程师们感觉困惑，是什么原因导致这一现象值得探讨。

图1 某仿真结果VSWR
理论分析：通常的天线仿真与设计中，都把端口设置为50欧，但在RFID 标签的设计中，由于无源芯片端口特殊，其阻抗R+jX 中，往往虚部较大，X/R 在10左右。

为方便讨论，现假定
标签天线的端口实际输入阻抗 端口匹配阻抗 由反射系数Γ定义可推导
)
()()
()(000000Y Y j X X Y Y j X X Z Z Z Z +++---=+-=
Γ
驻波比(VSWR)可用反射系数Γ表示为：
jY X Z +=000jY X Z +=
Γ
-Γ+=
11VSWR
从驻波比表达式可见：VSW R ＜1的条件为
1>Γ
即
)()()()(0000Y Y j X X Y Y j X X +++-+->
用复平面表示为图2所示阴影区域：
图2
阴影区域的任意一点Z 满足1>Γ，必然也就有VSW R ＜1。

在天线、标签中芯片输入阻抗Z 通常实部在10-70欧之间，虚部通常是负几百，由共轭匹配条件，标签天线的阻抗应分布在复平面第一象限，当然，由于天线的辐射特性，其阻抗实部为正数，复阻抗不会落在第二、三象限。

当天线的输入阻抗落在第四象限阴影部分时，会出现VSW R ＜1。

图3所示仿真结果就是图1现象下的标签阻抗特性。

从图3、图1的结果看，符合以上分析的结论。

图3
对于通常的天线端口，设置匹配端口特性阻抗为50欧，用上述分析方法分析，要使其驻波比小于1，其阻抗在复平面必须分布在如图4所示的区域。

Z
图4
考虑天线阻抗实部为正，不可能分布在阴影区域，因此，对实数阻抗的匹配端口而言VSW R ≥1恒成立。

结论：驻波比小于1从数学分析的角度看，是有其存在的依据，仿真出现驻波比异常从这点看不是软件的问题。

问题:这种现象是违背其他的原理，比如能量守恒定律等基本理论尚需讨论。

现在已经清楚了，是驻波比公式在端口为复阻抗时应修改为
)
()()
()(0000*
0Y Y j X X Y Y j X X Z Z Z Z -++---=
+-=
Γ ？。