无线耦合信号传输天线的设计与阻抗匹配-PPT精选文档
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
软件对电感为4μ H、中心频率为7.812MHz的天线阻抗
匹配设计进行仿真，搭建阻抗匹配电路，比较匹配前后天线端测
试信号变化，优化天线阻抗匹配网络。
1.无线耦合传输简介
在一些非接触信号传输场合，如射频识别( Radio Frequency Identity ，RFID) 技术，利用无线耦合信号传输方式进行非接触双向通信，实 现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的。无线耦 合信号传输通过两个电感线圈的互感耦合实现，原理如图1 所示。
2. 2 天线参数设计 对LC 谐振天线进行阻抗匹配，天线由100 pF 的电容与4 μH 的平面螺 旋电感组成，谐振频率为
天线谐振频率的理论值为7. 94 MHz，示波器测试天线谐振频率为7. 812 MHz，测试结果如图3 所示。
其中4μ H的平面圆形螺旋电感采用环氧树脂基底，结构参数为 n=10，din=21mm，dout=40mm，w=0.5mm，s=0.5mm。 根据式(1)计算电感理论值为3.995μ H，使用Aglient公司的 4284A( LCR 表)仪器测量的电感值为3.995μ H，实际测量与理论 计算基本吻合，说明式(1)是合理的。
Fra Baidu bibliotek
信号发生器发射定频信号，频率为天线谐振频率7.812 MHz，在只有
谐振天线的情况下，匹配前测试电感两端电压17.7 V，匹配后测试电压 23.4 V; 天线与传感器耦合时，匹配前电感两端电压12.5 V，比耦合前
17.7 V 降低5.2 V，匹配后测得电感两端电压为4.2 V，比耦合前23.4 V
在远距离互感耦合情况下，需要增大信号发射天线端能
量，因此需要对信源与发射天线进行阻抗匹配。
本文设计了中心频率为7. 812 MHz 的信号读取天线，并对天线进 行阻抗匹配，使信号发生器发射的信号能以最大功率传输到读取 天线端。
2.天线的设计研究
2. 1 平面螺旋电感设计
无线耦合信号传输通过天线实现， 在此使用由电容与电感组成的LC
RFSIM99计算。
4. 天线阻抗匹配测试
根据ADS 软件阻抗匹配结果，搭建阻抗匹配电路，从天线端串联180
nH 的电感，再并联2. 2 nF 的电容，匹配电容两端接RIGOL DG3061A 信 号发生器，天线两端接RIGOL DS6064 示波器，如图7 所示。
信号发生器首先发射扫频范围为1～50MHz、扫频时间1ms、Vpp为
走，是低阻要想办法抬高。无论在任何位
置，均要向50欧（中点）靠拢。进行匹 配时候，在等阻抗圆以及等电导圆上进行 换算。
串联网络
电容：初始阻抗沿着恒电阻圆逆时针转动 。 电感：沿着恒电阻圆顺时针转动。 并联网络 电容：初始阻抗沿着恒电阻圆顺时针转动 。 电感：沿着恒电阻圆逆时针转动。
以图上B点为例，如何进行阻抗 匹配？ B点所在位置为40+50j，先顺着 等电导圆，运动到B1点，再顺 着等阻抗圆，运行到终点（50欧 ）。按照上贴的运动规律，电路 先并电容，再串电感。由此完成 阻抗匹配。具体数值可通过
为了保证信号发生器发射的信号能以最大功率传输到天线端，天线与信
号的发射端须达到阻抗匹配，在此建立L 形阻抗匹配网络来实现信号的 最大功率传输，如图4 所示。
图4中，Zin的表达式为
式中: ZC= 1/jωC; Z' = ZL + jωL 。阻抗匹配后Zin与
信号的发射端特性阻抗相等。
在无线耦合信号传输中，当天线与远端测试谐振器互感耦合时，通过天
谐振天线，根据体积面积方面的
要求，将天线中电感设计成平面螺
旋结构，有正方形、六边形、八边
形、圆形等形状如图2所示。
通过式(1) 可以计算出平面螺旋的电感值，其中电感的内径、外径、线
宽、线间距等因素都会影响电感值的大小，在设计时需要对这些影响因
素进行综合考虑。电感计算公式为
式中:μ 为磁导率，真空 磁导率μ 0=4π×10-7; n 为电感线圈匝数，其他 参数如表1所示。
3.天线阻抗匹配设计
3. 1 阻抗匹配原理
阻抗匹配有两种形式，一种是负载阻抗等于信源内阻抗，这时在负
载阻抗上可以得到无失真的电压传输; 另一种是负载阻抗等于信源内
阻抗的共轭值，这时在负载阻抗上可以得到最大功率。如果信源内阻
抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件等同。常见的阻抗匹配网络 有L 形、π 形、Γ 形。
在天线端首先串联184. 6 nH的电感，再并联2. 17nF的电容，天线端匹配后
S =49. 99 + j×0. 25 Ω，阻抗匹配示意图如图5 ，ADS 仿真结果如图6 。
史密斯圆图红色的代表阻抗圆，蓝色的代 表导纳圆。圆中间水平线是纯阻抗线，如 果有点落在该直线上，表示纯电阻。 该图阻抗匹配计算的基本原则是：是感要 补容，是容要加感，是高阻要想办法往低
5.0V的扫频信号，电路中只有谐振天线时，使用示波器测试谐振天线端电
压情况，天线阻抗未匹配时，谐振信号峰峰值电压17.0 V，阻抗匹配后， 谐振信号峰峰值电压22.7V，如图8所示。可以看出阻抗匹配后电感两端的
电压增大且Q值也相应增大，说明阻抗匹配后天线端接收的信号增强，可
以更方便准确地判断分析天线谐振信号。
无线耦合信号传输天线的设计 和阻抗匹配
李凯丽，梁庭，洪应平，杨芳，秦丽，熊继军 ( 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室; 电子测试 技术重点实验室，山西太原)
赵婷 2019年3月1日
天线阻抗匹配测试
结论
摘要
在无法直接接触测量信号的场合，采用无线耦合方式进行信号
传输与测试，对无线耦合信号传输天线进行参数设计，通过ADS
线端信号变化测得远端测试谐振器的谐振频率。远端测试谐振器发生变化 时，在阻抗匹配前，互感耦合的信号比较微弱，容易受到震动、温度、外
界电磁等噪声的影响，造成近端测试误差大或无法测量的问题，阻抗匹配
后，互感耦合的能量增大，非接触式测试系统中的测量信号较匹配前稳定 ，不易受外界噪声干扰。
3. 2 天线阻抗匹配过程 首先对电感为4 μH、中心频率为7. 812 MHz 的天线进行阻抗匹配设计， 然后对设计的阻抗匹配进行ADS 软件仿真，天线谐振频率为7. 812 MHz 时，天线端阻抗ZL =1. 7 Ω，为使天线端与信源特性阻抗50 Ω 达到匹配，
匹配设计进行仿真，搭建阻抗匹配电路，比较匹配前后天线端测
试信号变化，优化天线阻抗匹配网络。
1.无线耦合传输简介
在一些非接触信号传输场合，如射频识别( Radio Frequency Identity ，RFID) 技术，利用无线耦合信号传输方式进行非接触双向通信，实 现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的。无线耦 合信号传输通过两个电感线圈的互感耦合实现，原理如图1 所示。
2. 2 天线参数设计 对LC 谐振天线进行阻抗匹配，天线由100 pF 的电容与4 μH 的平面螺 旋电感组成，谐振频率为
天线谐振频率的理论值为7. 94 MHz，示波器测试天线谐振频率为7. 812 MHz，测试结果如图3 所示。
其中4μ H的平面圆形螺旋电感采用环氧树脂基底，结构参数为 n=10，din=21mm，dout=40mm，w=0.5mm，s=0.5mm。 根据式(1)计算电感理论值为3.995μ H，使用Aglient公司的 4284A( LCR 表)仪器测量的电感值为3.995μ H，实际测量与理论 计算基本吻合，说明式(1)是合理的。
Fra Baidu bibliotek
信号发生器发射定频信号，频率为天线谐振频率7.812 MHz，在只有
谐振天线的情况下，匹配前测试电感两端电压17.7 V，匹配后测试电压 23.4 V; 天线与传感器耦合时，匹配前电感两端电压12.5 V，比耦合前
17.7 V 降低5.2 V，匹配后测得电感两端电压为4.2 V，比耦合前23.4 V
在远距离互感耦合情况下，需要增大信号发射天线端能
量，因此需要对信源与发射天线进行阻抗匹配。
本文设计了中心频率为7. 812 MHz 的信号读取天线，并对天线进 行阻抗匹配，使信号发生器发射的信号能以最大功率传输到读取 天线端。
2.天线的设计研究
2. 1 平面螺旋电感设计
无线耦合信号传输通过天线实现， 在此使用由电容与电感组成的LC
RFSIM99计算。
4. 天线阻抗匹配测试
根据ADS 软件阻抗匹配结果，搭建阻抗匹配电路，从天线端串联180
nH 的电感，再并联2. 2 nF 的电容，匹配电容两端接RIGOL DG3061A 信 号发生器，天线两端接RIGOL DS6064 示波器，如图7 所示。
信号发生器首先发射扫频范围为1～50MHz、扫频时间1ms、Vpp为
走，是低阻要想办法抬高。无论在任何位
置，均要向50欧（中点）靠拢。进行匹 配时候，在等阻抗圆以及等电导圆上进行 换算。
串联网络
电容：初始阻抗沿着恒电阻圆逆时针转动 。 电感：沿着恒电阻圆顺时针转动。 并联网络 电容：初始阻抗沿着恒电阻圆顺时针转动 。 电感：沿着恒电阻圆逆时针转动。
以图上B点为例，如何进行阻抗 匹配？ B点所在位置为40+50j，先顺着 等电导圆，运动到B1点，再顺 着等阻抗圆，运行到终点（50欧 ）。按照上贴的运动规律，电路 先并电容，再串电感。由此完成 阻抗匹配。具体数值可通过
为了保证信号发生器发射的信号能以最大功率传输到天线端，天线与信
号的发射端须达到阻抗匹配，在此建立L 形阻抗匹配网络来实现信号的 最大功率传输，如图4 所示。
图4中，Zin的表达式为
式中: ZC= 1/jωC; Z' = ZL + jωL 。阻抗匹配后Zin与
信号的发射端特性阻抗相等。
在无线耦合信号传输中，当天线与远端测试谐振器互感耦合时，通过天
谐振天线，根据体积面积方面的
要求，将天线中电感设计成平面螺
旋结构，有正方形、六边形、八边
形、圆形等形状如图2所示。
通过式(1) 可以计算出平面螺旋的电感值，其中电感的内径、外径、线
宽、线间距等因素都会影响电感值的大小，在设计时需要对这些影响因
素进行综合考虑。电感计算公式为
式中:μ 为磁导率，真空 磁导率μ 0=4π×10-7; n 为电感线圈匝数，其他 参数如表1所示。
3.天线阻抗匹配设计
3. 1 阻抗匹配原理
阻抗匹配有两种形式，一种是负载阻抗等于信源内阻抗，这时在负
载阻抗上可以得到无失真的电压传输; 另一种是负载阻抗等于信源内
阻抗的共轭值，这时在负载阻抗上可以得到最大功率。如果信源内阻
抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件等同。常见的阻抗匹配网络 有L 形、π 形、Γ 形。
在天线端首先串联184. 6 nH的电感，再并联2. 17nF的电容，天线端匹配后
S =49. 99 + j×0. 25 Ω，阻抗匹配示意图如图5 ，ADS 仿真结果如图6 。
史密斯圆图红色的代表阻抗圆，蓝色的代 表导纳圆。圆中间水平线是纯阻抗线，如 果有点落在该直线上，表示纯电阻。 该图阻抗匹配计算的基本原则是：是感要 补容，是容要加感，是高阻要想办法往低
5.0V的扫频信号，电路中只有谐振天线时，使用示波器测试谐振天线端电
压情况，天线阻抗未匹配时，谐振信号峰峰值电压17.0 V，阻抗匹配后， 谐振信号峰峰值电压22.7V，如图8所示。可以看出阻抗匹配后电感两端的
电压增大且Q值也相应增大，说明阻抗匹配后天线端接收的信号增强，可
以更方便准确地判断分析天线谐振信号。
无线耦合信号传输天线的设计 和阻抗匹配
李凯丽，梁庭，洪应平，杨芳，秦丽，熊继军 ( 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室; 电子测试 技术重点实验室，山西太原)
赵婷 2019年3月1日
天线阻抗匹配测试
结论
摘要
在无法直接接触测量信号的场合，采用无线耦合方式进行信号
传输与测试，对无线耦合信号传输天线进行参数设计，通过ADS
线端信号变化测得远端测试谐振器的谐振频率。远端测试谐振器发生变化 时，在阻抗匹配前，互感耦合的信号比较微弱，容易受到震动、温度、外
界电磁等噪声的影响，造成近端测试误差大或无法测量的问题，阻抗匹配
后，互感耦合的能量增大，非接触式测试系统中的测量信号较匹配前稳定 ，不易受外界噪声干扰。
3. 2 天线阻抗匹配过程 首先对电感为4 μH、中心频率为7. 812 MHz 的天线进行阻抗匹配设计， 然后对设计的阻抗匹配进行ADS 软件仿真，天线谐振频率为7. 812 MHz 时，天线端阻抗ZL =1. 7 Ω，为使天线端与信源特性阻抗50 Ω 达到匹配，