2016年《射频电路设计》实验

实验三RFID标签的设计、制作及测试一、【实验目的】

在实际的生产过程中，RFID电子标签在设计并测试完成后，都是在流水线上批量制造生产的。为了让学生体会RFID标签天线设计的理念和工艺，本实验为学生提供了一个手工蚀刻制作RFID电子标签的平台，再配合微调及测试，让学生在亲自动手的过程中，不断地尝试、提炼总结，从而使学生对RFID标签天线的设计及生产工艺，有进一步深刻的理解。

二、【实验仪器及材料】

计算机一台、HFSS软件、覆铜板、Alien Higgs芯片、热转印工具、电烙铁、标签天线实物，UHF测试系统，皮尺

三、【实验内容】

第一步（设计）：从UHF标签天线产品清单中，挑选出一款天线结构，或者自己设计一款标签天线结构，进行HFSS建模画图

第二步（制作）：将第一步中设计好的标签模型用腐蚀法进行实物制作

第三步（测试）：利用UHF读写器测试第二步中制作的标签实物性能

四、【实验要求的知识】

下图是Alien（意联）公司的两款标签天线，型号分别为ALN-9662和ALN-9640。这两款天线均采用弯折偶极子结构。弯折偶极子是从经典的半波偶极子结构发展而来，半波偶极子的总长度为波长的一半，对于工作在UHF频段的半波偶极子，其长度为160mm，为了使天线小型化，采用弯折结构将天线尺寸缩小，可以适用于更多的场合。ALN-9662的尺寸为70mm x 17mm，ALN-9640的尺寸为94.8mm x 8.1mm，之所以有不同的尺寸是考虑到标签的使用情况和应用环境，因为天线的形状和大小必须能够满足标签顺利嵌入或贴在所指定的目标上，也需要适合印制标签的使用。例如，硬纸板盒或纸板箱、航空公司行李条、身份识别卡、图书等。

ALN-9662天线版图

ALN-9640天线版图

五、【画图练习】

为了熟悉HFSS画图方法，先练习画出以下4幅图形

六、【实验步骤】

第一步：根据以下要求进行HFSS 的建模仿真 天线结构和尺寸：

可参照“UHF 标签天线产品清单”，或者标签实物，选择其中一种，估算或用尺子测

量其实际尺寸，进行HFSS建模。

绘制弯折结构时主要用到：画矩形面，合并，对称复制

绘制缝隙结构时主要用到：画矩形面，画线，挖空

视图调整主要用以下三个按钮：，，

注意天线中间要留有2mm乘以2mm大小的空隙，用于焊接芯片。

第二步：标签天线实物制作：

本次实验采用热转印的方法进行标签制作，具体步骤此处不详细叙述，应注意以下两点：

1、图纸的生成：上一步在HFSS中创建的模型可导出为AutoCAD的dxf文件，注意该HFSS图纸导出方法，只能导出XOY（Z=0）面的图纸信息，如果需要的图层不在XOY面上，则需要在HFSS中将图层位移到XOY面，再做导出操作。接下来，参照视频“AutoCAD 打印过程”，用AutoCAD软件进行图纸打印。

2、芯片焊接：如下图所示，本实验中用的芯片集成模块是将芯片制成可焊接封装，通过引出针脚来实现芯片与外部天线的链接。芯片有三个引脚，其中位于一侧的OPEN引脚是悬空的，无需焊接，另外两个引脚RF1和RF2分别焊接到天线的两个焊点上。使用电烙铁和焊锡将芯片焊接到天线上，推荐先在天线焊点焊锡，然后使用镊子夹住芯片对准焊点，用电烙铁融化焊锡即可完成焊接。

完成天线刻蚀和芯片焊接后，一个完整的标签即制作完成。

SOT封装的Alien Higgs-3芯片

第三步：标签性能测试

部署读写器及天线，调整读写器的频率、功率等参数，测试该标签性能，记录标签的最大读取距离、频率特性等性能指标。根据测试结果评估该标签的性能是否满足设计要求。

按照上图所示方式将标签天线对准UHF读写器天线，并沿图中所示虚线向远离读写器方向移动标签，找出能否成功读取的临界点，记录读取距离。

在读写频率设置为915.4-921.8（33-49），功率等级设置为20的条件下，分别测试并记录本次制作的标签的EPC码和读取距离

七、【实验结果】

1、将标签天线的实物图粘贴于此

2、填写本次制作的标签的EPC码和读取距离

实验五L形匹配网络设计

一、【实验目的】

阻抗匹配的概念是射频电路设计中最基本也是最重要的概念之一，贯穿射频电路设计的始终。要实现最大功率传输，必须使传输线与负载匹配，同时使负载阻抗与源阻抗共轭匹配。当今业界进行射频电路设计采用的是商用的射频仿真软件，其中最具代表性的是安捷伦公司的ADS软件。本次实验通过阻抗匹配的设计实例，作为ADS的入门，为将来从事射频设计工作打下基础。有兴趣的同学课后可以自学徐兴福编著的《ADS2008射频电路设计与仿真实例》。

二、【实验仪器及材料】

PC机一台，ADS2008仿真软件

三、【实验内容】

利用ADS软件设计阻抗匹配电路

四、【实验要求的知识】

实验前先熟悉教材中第6章关于阻抗匹配的内容，并在PC机上安装好ADS2008软件。

五、【范例：利用史密斯圆图设计L形匹配网络】

先通过一个范例进行练习，设计过程如下：

1)创建项目（Project）

①启动ADS软件，弹出主视窗

②选择主视窗中[File]菜单>[New Project]，弹出[New Project]对话框，如下图所示，在“Name”文本框中输入新建工程的名字Match1，同时在“Project Technology Files”下拉框中选择工程使用的长度单位为millimeter。选择完毕后点击[OK]按钮，弹出原理图向导，点击[Cancel]按钮关闭向导，弹出原理图编辑视窗。

2)创建原理图（Schematic）

①在弹出原理图编辑视窗中，当前显示为untitled，表示未命名，选择[File]菜单>[Save Design ]，弹出[Save Design as]对话框

②在[Save Design as]对话框中，输入文件名Match1，然后单击[保存]按钮，将原理图命名为Match1.

3)利用史密斯圆图设计L形匹配网络

本设计指标如下：

设计集总参数L形匹配网络

中心频率为1GHz

负载由10Ω的电阻和1.6nH的电感串联而成

要求负载与50Ω的传输线相匹配

设计步骤如下：

①在新建的原理图Match1中，选择[tool]菜单>[Smith Chart]命令，弹出[Smith Chart Utility]窗口，在该窗口中，需要设置Freq（频率）和Z0（传输线特性阻抗），这里默认设置为Freq=1GHz，Z0=50Ω，与本次设计需求一致，故无需修改。单击[Define Source/Load Network Terminations]按钮，弹出“Network Terminations”对话框，按照下图所示进行设置： 选中[Enable Source Termination]

选中[Enable Load Termination]

在[Load Impedance]项中，选择Series RL，R=10Ω，L=1.6nH

②回到原理图Match1的编辑窗口中，在左上角的元件库一栏，点击“Lumped Components”右边的下拉箭头，在下拉列表中选择倒数第3个的[Smith Chart Matching ]元件

库，选好后在左侧的元件面板中将显示唯一的元件图标，这个图标代表史密斯圆图元

件，将该元件插入到原理图中，如下图所示。

③下面设计匹配网络：

选中原理图中的史密斯圆图元件

选中[Smith Chart Utility]窗口中的[Build ADS Circuit]按钮，弹出“Smart Component Sync”对话框，选择“Update Smart Component from Smith Chart Utility”选项，单击OK按钮

选中[Smith Chart Utility]窗口中的[Auto 2-element Match]按钮，弹出[Network Selector]窗口，选中该窗口中左边的“串联电容，并联电感”图标，关闭该窗口，回到[Smith Chart Utility]窗口，在右下角会观察到出现了匹配电路图，如下图所示，单击图中的电容，可以查看电容的数值，是5.29579pF，同样单击电感能看到电感的数值为3.97887nH。在[Smith Chart Utility]窗口的左半边，可以观察到经过L形匹配网络后阻抗的移动路径，负载（方形标记）阻抗点先经过等电阻圆，再经过等电导圆，最终到达圆心的匹配点。 这样我们就完成了L形匹配网络的设计。

④在原理图中观察子电路

现在原理图中的史密斯圆图元件已经有了子电路，下面观察子电路，步骤如下：

单击原理图中的史密斯圆图元件

然后单击原理图工具栏中的按钮，进入子电路，如下图所示，从图中可以看出，子电路由L=3.98nH的电感和C=5.3pF的电容组成。

在原理图的工具栏中，单击按钮，从子电路退出。

⑤在原理图中仿真匹配网络

选择左上角的元件库为[Lumped Components]，在左侧的元件面板中，选择电阻R和电感L，分别插入到原理图中，将电阻的阻值设置为10Ω，电感的感值设置为1.6nH。 放置过程中可用Ctrl+R对元件进行90度旋转

单击工具栏中的按钮，将电阻和电感连接起来，并将电感接地，如下图所示，这构成负载电路。

选择左上角的元件库为[Simulation-S_Param]，在左侧的元件面板中，选择，插入原理图中，并将其接地。

单击工具栏中的按钮，将Term、匹配电路和负载电路连接起来，如下图所示。

在左侧的元件面板中，选择S参数仿真控件SP，插入原理图的画图区，对SP 仿真控件设置扫频范围如下：

?频率扫描的起始值为0.5GHz

?频率扫描的终止值为1.5GHz

?频率扫描的步长为0.01GHz

点击OK按钮

现在可以对原理图进行仿真了，目的是观察加入匹配网络后的参数曲线，在原理图工具

栏中单击按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示弹窗自动弹出，初始状态没有任何数据显示，用户自己选择需要显示的数据和数据显示的方式。

在数据显示视窗中，单击左侧面板中的按钮，在弹出的对话框中，选择要显示的数据为S（1，1）并点击>>Add>> 按钮，选择dB单位，添加到Trace中，点击OK，则S11曲线将显示在数据显示区中，点击工具栏中的按钮，添加一个Marker，可以在曲线上标记出中心频率处的S11值，如下图所示，可以看出，中心频率为1GHz，对应的S11为-57.194dB，表示在中心频率处的匹配良好。

六、【设计题】

完成第五部分的范例练习后，根据以下设计需求，设计一个L形匹配网络，并完成第七部分思考题。

本设计指标如下：

要求采用下图所示的L形匹配网络

中心频率为500MHz

负载为（90+j75）Ω

要求负载与特性阻抗为75Ω的传输线相匹配

七、【思考题】

1)将第六部分的设计结果截图粘贴到以下空白处

a)包含Term，匹配电路和负载电路的完整原理图

b)S11曲线（标注出中心频率处的S11数值）

提示：将读出的S11由dB单位换算成倍数单位，结合S11的物理意义进行分析。

实验六巴特沃思滤波器设计

一、【实验目的】

滤波器是RFID射频前端中的一个重要组成部分，起着频带选择、滤除干扰的作用，本次实验通过一个滤波器的设计实例，掌握滤波器的仿真设计方法。

二、【实验仪器及材料】

PC机一台，ADS2008仿真软件，实验指导书的pdf文件

三、【实验内容】

本次实验利用ADS软件设计一个4GHz的巴特沃思低通滤波器

五、【实验要求的知识】

实验前先学习教材中射频滤波器的设计，并在PC机上安装好ADS2008软件。

五、【实验步骤】

1.基本操作练习

步骤见指导书4.2

4)新建滤波器工程和设计原理图（4.2.1）

③新建一个工程

④建立一个低通滤波器设计，将原理图截图并粘贴到【实验结果】中

5)设置仿真参数和执行仿真（4.2.2）

①设置仿真参数

②仿真并查看仿真结果，将仿真结果S21曲线截图并粘贴到【实验结果】中

③滤波器电路调谐，将L调整为2nH，C1调整为1pF，C2调整为1.5pF，将此时的S21曲线截图并粘贴到【实验结果】中

2.利用DesignGuide设计滤波器练习

步骤见指导书4.3

1)需求分析（4.3.1）

滤波器的设计指标如下:

具有最平坦响应，通带内波纹系数小于2

截止频率为4GHz

在8GHz处的插入损耗必须大于15dB

输入/输出阻抗为50Ω

2)集总元件滤波器电路的生成（4.3.2）

按照4.3.2节的操作步骤，生成电路图及仿真结果，将电路图及仿真结果截图并粘贴到【实验结果】中

3)集总参数滤波器转换为微带滤波器（4.3.3）

按照4.3.3节的操作步骤，生成电路图及仿真结果，将电路图及仿真结果截图并粘贴到【实验结果】中

3.综合设计：

根据书本113页4-2例题，设计一个巴特沃思集总LC滤波器，通带截止频率为200MHz，阻抗为50Ω，在300MHz处插入损耗至少要有15dB的衰减，为了与书本电路结构能够对照，与信号源相连的第一个元件选择为并联电容。生成电路图及仿真结果，将电路图及仿真结果截图并粘贴到【实验结果】中，并与书本计算结果对照。

4.选做：阶跃阻抗低通滤波器的ADS仿真

步骤见指导书4.4

六、【实验结果】

1、基本操作练习的实验结果

1)电路图

2)仿真结果

（3）L调整为2nH，C1调整为1pF，C2调整为1.5pF时的S21曲线

2、用DesignGuide设计集总参数滤波器的实验结果1)电路图

2)仿真结果

3、用DesignGuide设计微带滤波器的实验结果1)电路图

2)仿真结果

4、综合设计的实验结果1)电路图