[发明专利]一种微波射频器件快速仿真与优化方法

说明书

技术领域

本发明属于微波射频与计算机辅助设计交叉领域，主要涉及一种微波射频器件快速仿真与优化方法。

背景技术

RFID系统电子标签包括标签天线和芯片两部分。标签天线的目标是传递最大的能量进出标签芯片，这需要设计的天线与其连接的芯片相匹配，当工作频率达到微波区域的时候，天线与芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，标签天线的开发基于的是50或者75欧姆输入阻抗，而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，天线的设计难以达到最佳。另外由于环境对标签天线的影响很大，会造成原本匹配良好的天线封装之后与芯片匹配较差，如果能够测得芯片封装后对天线端口呈现的阻抗，分析封装过程对芯片的影响，就能通过优化天线结构设计出性能较好的标签天线。所以，如何在芯片阻抗大范围变化的情况下对天线进行快速选型和设计是个关键问题。

通常情况下，标签天线的设计属于微波天线的专业技术领域，需要用仿真软件对其建模仿真，获得回波损耗性能，以此性能判断天线和芯片的匹配情况，专业化门槛局限了人们对RFID标签天线设计的认识和了解。RFID标签的材料和应用背景五花八门，理论上，对于每种不同的情况都需要重新仿真天线性能，而目前的商用仿真软件一是价格昂贵，二是仿真时间较长，三是入门时间较长，这限制了RFID标签产业化生产。

目前的芯片生产厂商在提供芯片的同时也提供了标签天线结构，但是，对于用户来讲，在改变该标签天线的介质、标签附着的物体的同时，标签天线的性能已经发生了改变。此外，标签的封装由于影响了标签天线与芯片的匹配也会对标签的读取性能产生影响。若要考虑这些外界因素的影响，必须要对天线进行重新设计和仿真。

本方法通过提供若干款适用于不同国家的RFID标准的宽频带RFID标签天线。通过调节天线的一个或者两个关键尺寸，可使天线对不同输入阻抗(实部在10～40Ω，虚部在-50～-j300Ω之间)的标签芯片在840MHz-930MHz频带范围内满足驻波比小于2。

设计一款标签天线通过调节它的关键尺寸参数，与阻抗在一定范围内的芯片相互匹配。给定一个芯片，为了选择满足匹配要求的天线结构，首先需要对天线的关键尺寸根据优化目标(带宽最宽或者增益最大等)进行优化，使优化后的天线与芯片匹配，然后再对优化结果进行仿真；标签天线选型的过程中，需要大量的仿真和优化次数，利用商业化电磁仿真软件耗时过长，延长了天线的设计周期。

随着射频识别技术的发展，标签天线的应用越来越普遍，市场对标签天线的需求也将大大增加。对于标签天线用户来说，如果想要快速得到满足不同应用背景的天线或是特定背景下的天线的最佳结构，现有的办法是利用电磁仿真软件进行设计或是优化选型，这将极大地降低了用户的工作效率。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种标签天线的快速仿真与优化方法，在芯片阻抗不同的条件下，减少天线仿真与优化时间，保证了标签设计过程中的天线快速选型。

为解决上述技术问题，本发明公开了以下技术方案：

一种标签天线的快速仿真优化方法，包括：

建立已设计标签天线的非线性模型；

组建数据库；数据库由标签天线的信息数据包括天线结构图、固定尺寸值、关键尺寸范围、天线增益及天线介质参数，标签芯片的信息数据包括芯片阻抗及芯片的开启电压，读写器的信息数据包括不同国家和地区的射频识别系统标准规定的读写器的最大发射功率、RFID应用频率范围组成；

搜索满足要求的天线、芯片和读写器；以天线的实际尺寸、阻抗带宽和天线增益等为搜索条件，从数据库中提取满足条件的天线，并选择要仿真与优化的天线；分别以标签芯片的型号和国家名称为索引，从数据库中提取芯片和读写器相关数据；

将所选天线的参数、芯片的参数和读写器的参数作为天线非线性模型的输入进行仿真得出天线的回波损耗(S₁₁)性能和所选射频识别系统的读写距离；

将芯片参数、读写器参数和射频识别系统所要求的读写距离为输入，利用优化算法与非线性模型结合的方式优化天线关键尺寸获得最佳尺寸参数；

显示仿真与优化结果。

所述方法还包括：可以采用多种建模方法对天线进行建模，天线非线性模型的输入为天线的关键尺寸参数、芯片阻抗参数和读写器参数，输出为天线的回波损耗(S₁₁)性能和系统的读写距离。