基于阻抗匹配的種類(lèi)及其在RFID系統中的應用研究

　　1引言
　

　　阻抗匹配問(wèn)題是電子技術(shù)中的一項基本概念，通過(guò)匹配可以實(shí)現能量的最優(yōu)傳送，信號的最佳處理?？傊?，匹配關(guān)乎著(zhù)系統的性能，使匹配則是使系統的性能達到約定準則下的最優(yōu)。其實(shí)，阻抗匹配的概念還可擴展到整個(gè)電學(xué)之中，包括強電(以電能應用為主)與弱電(以信號檢測與處理為主)兩個(gè)大的領(lǐng)域。再進(jìn)一步，如果去掉阻抗的概念單就匹配而言，則其覆蓋的范圍將更為廣闊，比如：在RFID技術(shù)應用中，技術(shù)與需求的滿(mǎn)足涉及到匹配的問(wèn)題等。

　　本文主要討論阻抗匹配在電子技術(shù)中的應用，特別是在無(wú)源RFID標簽與讀寫(xiě)器天線(xiàn)端口阻抗匹配中的應用。

　　2阻抗匹配的幾種方式

　　在電子技術(shù)中，電壓(U／u)、電流(I／i)、電阻(R／r)或阻抗(Z／z)都是非?；镜碾妼W(xué)概念，一個(gè)歐姆定律即將其貫穿起來(lái)，如式(1)所示：

　　其中，阻抗具有較電阻更一般的概念?；鶢柣舴蚨?KCL和KCL)則關(guān)系到一個(gè)子電路(一個(gè)閉合回路或一個(gè)閉包)的電壓和電流應遵守的約束性關(guān)系。

　　討論阻抗匹配的問(wèn)題最常用到的另外一個(gè)概念是戴維南定理，它是一個(gè)將復雜電路等效成為單一阻抗與理想電壓源相串聯(lián)的轉換，如圖1所示。

　　其中，圖1(a)中的NS和N分別為含有電源的阻抗網(wǎng)絡(luò )和純阻抗網(wǎng)絡(luò )。對于所研究的端口(A-A’)，端口的電壓與電流關(guān)系由戴維南定理保證了圖1(a)和圖1(b)的情況完全等效，再簡(jiǎn)化可得到圖1(c)。

　　通過(guò)戴維南定理的等效轉換，分析研究端口的阻抗匹配問(wèn)題均可轉化為圖1(c)的模型來(lái)進(jìn)行。電源端的阻抗ZS和負載端的阻抗ZL可以分別寫(xiě)成如式(2)所示的形式：

　　端口阻抗匹配問(wèn)題的研究可以從2個(gè)基本方向來(lái)考慮：

　　(1)方向1：源端固定，即RS和XS不可變，考慮負載端RL和XL與源端的阻抗匹配問(wèn)題。

　　(2)方向2：負載端固定，即RL和XS不可變，考慮源端RS和XS與負載端的阻抗匹配問(wèn)題。

　　下面以方向1，源端固定負載改變以實(shí)現匹配的問(wèn)題為例討論具體的匹配模式。結合式(2)與圖2(c)，可能的端口阻抗匹配有如下5種模式：

　　針對阻抗電路(由電源、電阻、電容、電感)，如果電源的頻率是可變的，或者涉及到多個(gè)不同頻率的電源時(shí)(疊加定理可處理)，則源端阻抗ZS和負載阻抗ZL均是頻率的函數(電阻R和電抗X)。此時(shí)的端口阻抗匹配問(wèn)題的研究即是分析一個(gè)工作頻段內的阻抗匹配情況。

　　3各種阻抗匹配的典型應用

　　前面提到的端口阻抗匹配的5種模式各具不同的應用，是由應用需求來(lái)選擇匹配的模式。下面分別舉例說(shuō)明：

　　(1)共軛匹配

　　共軛匹配是實(shí)現負載從源端電源獲取最大功率的最佳匹配方案。負載獲取功率的計算公式如下式所示：

　　共軛匹配的典型應用是在最佳接收機設計時(shí)采用(如雷達接收機)。此時(shí)，圖2(c)中的電源代表的是接收到的信號，負載獲得最大功率意味著(zhù)最有效地利用接收到的微弱信號的能量。

　　(2)模匹配

　　模匹配是實(shí)現負載從源端電源獲取最大功率的另一種匹配方案。該種方案是將負載阻抗看作一個(gè)整體的情況來(lái)考慮。負載獲取功率的計算公式如式所示。

　　比較模匹配與共軛匹配的情況，可得在模匹配時(shí)負載上獲得的功率要小于或等于共軛匹配時(shí)的情況。在無(wú)法獲得共軛匹配的情況下，可以考慮以模匹配的方式實(shí)現負載獲取最大功率。共軛匹配與模匹配是以負載獲取最大功率為目的的2種解決方案，但其能量傳輸的效率相對較低。共軛匹配時(shí)的能量傳輸效率僅為50％(即有一半的能量消耗在源內阻RS上)。

　　(3)虛部匹配

　　虛部匹配時(shí)滿(mǎn)足負載電抗與源阻抗的電抗分量等值相反，實(shí)部放開(kāi)(依應用所需取值)。典型的應用是電力系統的輸電傳送。此時(shí)，能量傳輸效率是目的，提高負載端的功率因素cosθL是目標，一般負載多呈現一定的感性，因而需要在負載端通過(guò)加容性補償以便減小傳輸線(xiàn)上無(wú)功功率的往返傳輸造成功率損耗。

　　(4)實(shí)部匹配

　　實(shí)部匹配情況一般對應于工作頻段內的阻抗匹配情況，虛部放開(kāi)(依應用所需取值)。例如，在微波電子線(xiàn)路系統中，50Ω負載是典型的要求。

　　(5)阻抗非匹配

　　端口阻抗非匹配或失配情況是未考慮匹配問(wèn)題時(shí)的一般情況。在特定情況下，也可有意回避阻抗匹配而使端口處于非匹配的狀況中。

　　另外，從嚴格的意義上來(lái)說(shuō)，匹配是理想情況，非匹配是更一般的情況。所有的匹配措施都是在力圖達到理想的匹配。

　　4無(wú)源RFID系統中的阻抗匹配問(wèn)題

　　無(wú)源射頻識別(RFID)系統原理如圖2所示。電子標簽工作時(shí)需要讀寫(xiě)器發(fā)送射頻能量支持其內部的標簽芯片工作，從而實(shí)現標簽向讀寫(xiě)器傳送數據或由讀寫(xiě)器向標簽寫(xiě)入數據。

　　在無(wú)源RFID系統相關(guān)產(chǎn)品設計與開(kāi)發(fā)中涉及到大量的阻抗匹配問(wèn)題?，F就無(wú)源RFID系統中的電子標簽和讀寫(xiě)器分舉例，分析其中關(guān)鍵端口——天線(xiàn)接口的阻抗匹配問(wèn)題。

　　(1)標簽天線(xiàn)與標簽芯片的最佳匹配

　　針對無(wú)源電子標簽而言，電子標簽可以簡(jiǎn)化為標簽天線(xiàn)與標簽芯片的直接電連，電聯(lián)的接口匹配問(wèn)題是電子標簽設計工作的一個(gè)重要方面。需要解決的問(wèn)題是：

　?、俅_定端口的匹配模式；

　?、谠O計標簽天線(xiàn)滿(mǎn)足端口的匹配模式以及天線(xiàn)的方向圖。

　　電子標簽的結構如圖3(a)所示，其戴維南等效電路如圖3(b)所示(標簽天線(xiàn)可等效為天線(xiàn)等效內阻與等效感應電壓源的串聯(lián)組合，標簽芯片可等效為一純阻抗)。

　　如圖3(b)所示，在無(wú)源射頻識別電子標簽的設計中，當電子標簽芯片給定時(shí)，其等效阻抗ZL也隨之確定。電子標簽工作的前提條件是標簽芯片從標簽天線(xiàn)獲得的能量(通過(guò)檢波積累獲得臨時(shí)電源)應過(guò)門(mén)限。根據圖3(b)的等效電路，當共軛匹配時(shí)，標簽芯片可從標簽天線(xiàn)的感應電壓源中獲得最大功率。因而，標簽天線(xiàn)的設計目標之一是實(shí)現其等效阻抗與標簽芯片端口的等效阻抗的共軛匹配。在給定ZL和US的情況下，共軛匹配要求ZS=Z*L。一般情況下，ZL呈現容性(電容儲能)，因而要求標簽天線(xiàn)的ZS顯感性以便與ZL的容性間實(shí)現共軛匹配。

　　(2)讀寫(xiě)器射頻端口與外接天線(xiàn)間的最佳匹配

　　以無(wú)源RFID系統的讀寫(xiě)器設計為例，為了分析讀寫(xiě)器射頻端口的阻抗匹配情況，可參考如圖4所示的射頻端口等效電路。

　　圖4(a)示出了讀寫(xiě)器主機(射頻端口)與讀寫(xiě)器天線(xiàn)的連接端口A(yíng)-A’。當讀寫(xiě)器發(fā)射功率時(shí)，讀寫(xiě)器天線(xiàn)可等效為一個(gè)純負載阻抗，讀寫(xiě)器主機可等效為純內阻與電壓源的串聯(lián)，如圖4(b)所示。在圖4(b)中，ZS在工作頻帶內可近似為50Ω的純電阻，在端口界面A-A’上，通常要求行波傳送，即無(wú)從ZL回送到讀寫(xiě)器的發(fā)射能量，由此要求ZL等效為純電阻。進(jìn)一步講，為使讀寫(xiě)器天線(xiàn)有最大的功率輻射能力(即從電源獲得最大功率)，亦要求ZL=ZS=50Ω，同時(shí)也滿(mǎn)足ZL=Z*S的共軛匹配條件。

　　由此可以確定，讀寫(xiě)器天線(xiàn)的設計目標為：

　　(1)端口等效阻抗在工作頻帶內為50Ω(實(shí)際情況為接近50Ω)；

　　(2)天線(xiàn)方向圖滿(mǎn)足閱讀空間覆蓋要求。從端口阻抗匹配的角度來(lái)說(shuō)，因仍滿(mǎn)足ZL=Z*S的共軛匹配條件，故仍屬共軛匹配的范疇。

　　5結語(yǔ)

　　本文詳細討論阻抗匹配的基本概念、阻抗匹配的種類(lèi)，以及各種匹配的具體含義。簡(jiǎn)要分析各種阻抗匹配的典型應用。結合無(wú)源RFID系統中的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，討論阻抗匹配的具體應用，從理論上明確了產(chǎn)品設計的目標概念，得出基本判斷，對具體的產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)具有重要的指導意義。