一种PCBRFID标签弯折偶极子天线的阻抗建模方法与流程

本发明涉及rfid标签天线设计领域，尤其涉及一种pcb板上的弯折偶极子rfid标签天线阻抗建模方法。

背景技术：

rfid(射频识别)是一项利用射频信号通过电磁场实现无接触信息传递的技术，已广泛应用于物联网技术之中。作为rfid系统中的一环，rfid标签天线的性能决定着整个系统传递信息的能力，其中最为重要一项性能指标是标签天线的阻抗，只有当rfid标签天线的阻抗值达到所用芯片阻抗的共轭时，rfid标签芯片的功率传输效率最高。故此，获得rfid标签天线的理想阻抗值成为了标签天线设计人员的主要工作。

目前rfid标签天线的阻抗是通过设计人员在仿真软件上构建模型后由软件仿真计算得到，每得到一个模型的阻抗值都需要花费一定时间。然而rfid标签天线的设计往往需要构建上百次的仿真模型，这样的设计方法严重消耗设计人员的时间与精力。

因此，针对rfid标签天线设计的上述缺点，本发明拟公开一种使用rfid标签天线的基本结构参数构建pcbrfid标签弯折偶极子天线阻抗表达式的方法。设计人员利用本方法可快速得到指定结构下pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗。

技术实现要素：

针对现有情况的不足，本发明提供一种pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗建模方法，通过使用少量的随机仿真数据对带有未知参量的模型进行参数拟合，得到pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗表达式。标签天线设计人员可以利用该方法快速获取pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗。

本发明的目的是通过以下技术来实现的：

一种pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗建模方法，包括以下步骤：

s1：获取组成pcbrfid标签弯折偶极子天线的弯折偶极子辐射臂、匹配环结构与基板的尺寸与参数信息；

s2：分解所述弯折偶极子辐射臂的阻抗：所述弯折偶极子辐射臂的阻抗zl由纵向走线的总阻抗z1和横向走线的总阻抗z2两部分串联而成，如公式(1)所示：

zl＝z1+z2(1)

s3：使用所述匹配环结构的尺寸信息获取所述匹配环结构的阻抗zmatch；

s4：将所述弯折偶极子辐射臂的阻抗zl等效到馈电点两端，由公式(2)得到等效后的所述弯折偶极子辐射臂阻抗zl-tran：

zl-tran＝(1+α)²*zl(2)

其中，α是耦合系数，所述耦合系数α与所述弯折偶极子辐射臂宽度b1和所述匹配环结构的宽度b2的比值相关，同时所述耦合系数α也与所述匹配环的宽度d有关，其表达式如式(3)所示：

其中，ki与ti为两组待定系数，k1、t1为计算阻抗实部时使用的阻抗实部待定系数，k2、t2为计算阻抗虚部时使用的阻抗虚部待定系数。

s5：由公式(4)得到整个所述pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗zin：

s6：使用少量的随机结构数据在hfss软件中建立若干组pcbrfid标签弯折偶极子天线的模型，进行仿真后分别记录结构数据及对应结构下整个天线阻抗的实部与虚部。

s7：使用仿真数据分别对pcbrfid标签弯折偶极子天线阻抗的实部和虚部进行最小二乘拟合，得到有关所述标签天线中待定系数ki、ti，完成pcbrfid标签弯折偶极子天线在工作频点的阻抗建模过程。

进一步的，所述弯折偶极子辐射臂、匹配环结构与基板的尺寸与参数信息包括：两所述纵向走线的间距w，所述弯折偶极子辐射臂的宽度b1、单侧横向长度la、弯折高度h，所述匹配环结构的宽度b2、高度d、长度lm，所述基板的厚度s、介电常数εr。

进一步的，pcbrfid标签弯折偶极子天线周围电磁波的波长λ由公式(5)计算：

其中，f为pcbrfid标签弯折偶极子天线所接收电磁波的频率，c为真空中的光速，εe为有效介电常数，由公式(6)给出：

进一步的，所述纵向走线的总阻抗z1使用公式(7)计算：

其中，j为虚数单位；η是自由空间的波阻抗，取377ω；n为所述弯折偶极子辐射臂的弯折次数。

进一步的，所述横向走线的总阻抗z2使用公式(8)计算：

其中，μ0为导体在空气中的磁导率，一般取1。

进一步的，所述匹配环结构的阻抗zmatch使用公式(9)计算：

进一步的，所述最小二乘拟合是通过matlab软件中lsqcurvefit函数利用若干组仿真数据对所建立的阻抗计算公式进行拟合。

本发明的有益效果是：本发明将应用于pcbrfid标签弯折偶极子天线设计中，使用少量的随机仿真数据拟合出具有未知参量模型中的参量，从而确定pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗模型。rfid标签设计人员可以利用该方法所得到的模型快速获取指定结构下pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗。

附图说明

图1为pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗建模方法的流程图。

图2为pcbrfid标签弯折偶极子天线示意图。

图3为pcbrfid标签弯折偶极子天线俯视图。

图4为pcbrfid标签弯折偶极子天线侧视图。

图5为弯折偶极子辐射臂横向走线与纵向走线示意图。

图6为匹配环结构示意图。

图中，1：弯折偶极子辐射臂、1-1：纵向走线、1-2：横向走线、2：匹配环结构、3：基板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗建模方法，包括以下步骤：

s1：获取组成pcbrfid标签弯折偶极子天线的弯折偶极子辐射臂1、匹配环结构2与基板3的尺寸与参数信息；

s2：分解所述弯折偶极子辐射臂1的阻抗：所述弯折偶极子辐射臂1的阻抗zl由纵向走线1-1的总阻抗z1和横向走线1-2的总阻抗z2两部分串联而成，如公式(1)所示：

zl＝z1+z2(1)

s3：使用所述匹配环结构2的尺寸信息获取所述匹配环结构的阻抗zmatch；

s4：将所述弯折偶极子辐射臂1的阻抗zl等效到馈电点两端，由公式(2)得到等效后的所述弯折偶极子辐射臂1的阻抗zl-tran：

zl-tran＝(1+α)²*zl(2)

其中，α是耦合系数，所述耦合系数α与所述弯折偶极子辐射臂1宽度b1和所述匹配环结构2的宽度b2的比值相关，同时所述耦合系数α也与所述匹配环的宽度d有关，其表达式如式(3)所示：

其中，ki与ti为两组待定系数，k1、t1为计算阻抗实部时使用的阻抗实部待定系数，k2、t2为计算阻抗虚部时使用的阻抗虚部待定系数。

s5：由公式(4)得到整个所述pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗zin：

s6：使用少量的随机结构数据在hfss软件中建立若干组pcbrfid标签弯折偶极子天线的模型，进行仿真后分别记录结构数据及对应结构下整个天线阻抗的实部与虚部。

s7：使用仿真数据分别对pcbrfid标签弯折偶极子天线阻抗的实部和虚部进行最小二乘拟合，得到有关所述标签天线中待定系数ki、ti，完成pcbrfid标签弯折偶极子天线的阻抗建模过程。

如图2-6所示，所述弯折偶极子辐射臂1、匹配环结构2与基板3的参数与尺寸信息包括：两条所述纵向走线1-1的间距w，所述弯折偶极子辐射臂1的宽度b1、单侧横向长度la、弯折高度h，所述匹配环结构2的宽度b2、高度d、长度lm，所述基板的厚度s、介电常数εr。

为了后续计算，首先需要计算pcbrfid标签弯折偶极子天线附近电磁波的波长λ，由公式(5)给出：

其中，f为pcbrfid标签弯折偶极子天线所接收电磁波的频率，c为真空中的光速，εe为有效介电常数，εe的值由公式(6)给出：

如图5所示，所述纵向走线1-1的总阻抗z1使用公式(7)计算：

其中，j为虚数单位；η是自由空间的波阻抗，取377ω；n为所述弯折偶极子辐射臂1的弯折次数。

所述横向走线1-2的总阻抗z2使用公式(8)计算：

其中，μ0为导体在空气中的磁导率，一般取1。

如图6所示，所述匹配环结构2的阻抗zmatch使用公式(9)计算：

为了简化建模过程，所述最小二乘拟合是通过matlab软件中lsqcurvefit函数利用若干组仿真数据对所建立的阻抗计算公式进行拟合。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。