基于RFID天線(xiàn)阻抗自動(dòng)匹配技術(shù)的研究

　　射頻設別( Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是從20世紀90年代興起并逐步走向成熟的一項自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)射頻耦合方式進(jìn)行非接觸雙向通信，達到目標識別和數據交換的目的。

　　RFID讀寫(xiě)器在移動(dòng)過(guò)程中，天線(xiàn)感應系數和阻抗的易變性造成讀寫(xiě)器傳輸功率不必要的損耗和識別能力的下降。對于讀寫(xiě)器天線(xiàn)阻抗的匹配，國外一些大公司的研究已經(jīng)轉向自動(dòng)匹配方面，并有了比較成功的案例，而國內應用研究主要還集中于手動(dòng)匹配方面。隨著(zhù)集成技術(shù)的發(fā)展，天線(xiàn)與讀寫(xiě)器模塊將向集成化發(fā)展，對于天線(xiàn)阻抗的匹配也將提出新的要求，而手動(dòng)匹配是個(gè)耗時(shí)長(cháng)且復雜的過(guò)程。

　　因此，天線(xiàn)阻抗的自動(dòng)匹配技術(shù)也將成為一種發(fā)展趨勢。本文論證了天線(xiàn)阻抗的手動(dòng)匹配方法，并在最大化應用集成元件的情況下，提出了一種新的適用于13. 56 MHz RFID讀寫(xiě)器的天線(xiàn)阻抗自動(dòng)匹配方法。

　　1　阻抗手動(dòng)匹配技術(shù)

　　RFID系統使用外接天線(xiàn)與電子標簽進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。天線(xiàn)夾具形狀和尺寸的易變性使天線(xiàn)的輸入阻抗易隨外部環(huán)境的變化還發(fā)生微弱變化，導致傳輸功率的無(wú)用損耗。國際上RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)標準阻抗一般都為50Ω， 本文設定阻抗匹配目標為(50 + j0)Ω。天線(xiàn)電路如圖1所示，一般包含3個(gè)部分:

　　(1)電磁兼容( EMC)濾波(L0 ， C0 )電路；(2)包含可調諧電容C1、C2 的匹配電路；(3)天線(xiàn)。

　　EMC濾波電路濾去了載波頻率為13. 56 MHz阻抗變換時(shí)的諧波干擾。它有一個(gè)固定的諧振頻率，這個(gè)頻率是實(shí)際數據傳輸率和最高副載波頻率的結合。如用曼切斯特編碼時(shí)，傳輸的最高數據率為424 kbit/ s，頻率為848 kHz，則諧振頻率為14. 408MHz。

圖1　天線(xiàn)電路框圖

　　在載波頻率為13. 56 MHz時(shí)，通過(guò)在TX1 和TX2 兩點(diǎn)測量天線(xiàn)線(xiàn)路的反射系數(即參數S11 )來(lái)手動(dòng)調諧，直到天線(xiàn)電路的輸入阻抗達到目標，計算方程如下：，又有ZL = 50W，可以看出，要使(S11 ) = 50Ω， S11必須為0。

　　手動(dòng)調諧即是交替不斷調整電容C1、C2 的值，同時(shí)觀(guān)察曲線(xiàn)變化，直到在所要求的頻率點(diǎn)S11等于0。圖2為某一天線(xiàn)電路在頻率在10～20MHz之間變化時(shí)，其反射系數的變化曲線(xiàn)，其中，標記13. 56MHz的點(diǎn)， S11值近似為0，達到了匹配要求。

圖2　經(jīng)過(guò)手動(dòng)匹配的天線(xiàn)smit圖

　　2　阻抗自動(dòng)匹配技術(shù)

　　本文提出了一種自動(dòng)匹配技術(shù)，其電路如圖3所示，主要包含測量電路，匹配電路和控制電路。因為手工匹配方法耗時(shí)長(cháng)，且需要良好的意識和豐富的經(jīng)驗來(lái)選擇合適的電容，另外必須配備一些昂貴的設備，如網(wǎng)絡(luò )分析儀或阻抗分析儀等。對于一些小公司來(lái)說(shuō)，是不現實(shí)的。同時(shí)，一些手持式RF設備的發(fā)展使得手動(dòng)匹配越來(lái)越不適應。對于這些移動(dòng)設備，最理想的天線(xiàn)電路應該僅僅包含集成模塊，且隨著(zhù)阻抗變化可以自動(dòng)匹配。

圖3　自動(dòng)調諧匹配電路圖

　　2. 1　測試電路

　　手工匹配采用的是阻抗分析儀或者網(wǎng)絡(luò )分析儀，網(wǎng)絡(luò )分析儀是用定向耦合器來(lái)測量天線(xiàn)電路的反射系數。但使用定向耦合器有幾個(gè)主要的缺點(diǎn)，例如功率損耗大和很難嵌入到IC芯片。故而本文在電路中不使用耦合器，從圖3看出，測量電路包含以下4部分。

　　(1)測量電橋　用來(lái)測試天線(xiàn)的反射系數。主體部分為惠斯通電路，如圖4所示。其電路中的直流電源用波形產(chǎn)生器替代，用來(lái)生成13. 56 MHz的正弦載波信號。其中電阻R1、R2、R3 都為50 Ω。

　　根據基爾霍夫定律，得I1 - I2 + Id = 0， I3 - IZ - Id =0， I1 R1 + I2 R2 - I3 R3 = IZ Z，得Z = R2*R3/R1= 50Ω。

　　電橋平衡即Vd = 0，當Vd 的大小和相位都為0時(shí)，天線(xiàn)阻抗調諧完成。Vd 計算公式為: Vd = |V2 -VZ | ，V2 = I2 R2 ， VZ = IZ Z。

　　(2)振幅測量電路　測量V2 和VZ 幅度， 并反饋到控制器。電路內部的整流器調整V2 和VZ 的幅度，消去輸入信號的負半波，為了滿(mǎn)足模數轉換電路的輸入范圍要求，最后得到的信號經(jīng)過(guò)低通濾波和放大電路傳送到控制器。經(jīng)過(guò)控制器模數轉換后，比較兩路信號的幅度，計算出Vd 的值。

　　較兩路信號的幅度，計算出Vd 的值。

　　(3)相位測量電路　測量V2 和VZ 的相位， 并反饋到控制器。

　　(4)振幅測量電路　測量V2 和VZ 的幅度，并反饋到控制器。

圖4　測量電橋

　　在設計中用一個(gè)已經(jīng)過(guò)手動(dòng)調諧的天線(xiàn)電路來(lái)驗證測量電路。手動(dòng)調諧電路以圖1 的電路為基礎，用微調電容器取代電容C1 和C2 ，將天線(xiàn)電路連接到測量電橋，調節微調電容器，使測量到信號的幅度和相位近似為0。然后在TX1、TX2 兩點(diǎn)測量天線(xiàn)的反射系數。測量結果如圖5所示，在頻率為13.

　　56MHz時(shí)，參數S11近似為0。這種檢查流程已成功經(jīng)過(guò)幾種不同阻抗的RFID天線(xiàn)檢測，在頻率為13.

　　56MHz時(shí)，測試天線(xiàn)的S11參數偏差都大體相同。

　　這表明，這個(gè)偏差在測量電路中，是不可避免的，且不影響匹配。

圖5　天線(xiàn)的smit圖

　　2. 2　匹配電路

　　匹配電路是在微控器作用下來(lái)自動(dòng)匹配天線(xiàn)的阻抗。在設計中，用其它可調電容電路將圖1中電容C1 和C2 替換。通常有三種類(lèi)型的替換方法:

　　(1)微調電容器;(2)二極管電容;(3)電容陣列。

　　機械微調電容器既不是集成的也不是電可控的，二極管電容不能充分隔離信號電壓和控制電壓。

　　因此，最好的方法是用電容陣列，如圖6所示，由半導體開(kāi)關(guān)控制。將圖1 中的C1、C2 用電容陣列取代。當電容值在1到50 pF之間時(shí)，開(kāi)關(guān)選用了低電容DMOS開(kāi)關(guān)。與普通開(kāi)關(guān)不同， DMOS開(kāi)關(guān)存在寄生效應。在斷開(kāi)期間，開(kāi)關(guān)引腳之間、信號引腳與地之間都存在這寄生電容。這些電容使得電容陣列的調諧范圍變窄，同樣也使天線(xiàn)阻抗的調諧范圍變窄。這個(gè)問(wèn)題仍然有待于進(jìn)一步的研究。

圖6　電容陣列網(wǎng)絡(luò )

　　2. 3　控制器

　　控制器處理測量電路測到得數據，計算Vd 的值，并進(jìn)一步控制DMOS開(kāi)關(guān)，達到阻抗的匹配，同時(shí)它內部集成的模數轉換器可以使幅值和相位值數字化。在手動(dòng)阻抗匹配中，是調整C1 和C2 使幅值和相位偏移盡可能的為0。用一個(gè)簡(jiǎn)單的算術(shù)來(lái)說(shuō)明這個(gè)思路，當每一個(gè)被測對象被認為是二維平面里的一個(gè)點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)到零點(diǎn)的距離d可以用公式計算: d2 =A2 +φ2。幅值A 作為橫坐標，相位偏移φ作為縱坐標。因此，控制器調諧算法就是要找到最短的路徑d。在實(shí)際計算中， 用該算法掃描所有的電容組合，以得到一組電容值使d2 最小，用這組數據來(lái)匹配阻抗。

　　3　功能驗證

　　設計完成后，用A，B兩種阻抗不同的天線(xiàn)測試了完整的調諧系統，每種天線(xiàn)測試2 到3 輪不等。

　　結果如圖7所示，對于A(yíng)， B兩種天線(xiàn)的任何一種，都找到了最優(yōu)C1 和C2 的組合。當頻率為13. 56MHz時(shí)，兩類(lèi)天線(xiàn)的反射系數雖然與0點(diǎn)都有一定的偏差，但其偏差都在可接受范圍之內。

　圖7　自動(dòng)匹配天線(xiàn)的smit圖

　　4　結論

　　本文提出了一種適用于天線(xiàn)的阻抗自動(dòng)匹配方法，基于此方法設計了集測量電路，匹配電路，控制電路于一體的集成RFID天線(xiàn)阻抗自動(dòng)匹配虛擬系統。最后，通過(guò)實(shí)驗測試，該系統模型運作良好，大體實(shí)現了匹配要求。然而，電容陣列的優(yōu)化，匹配算法的改進(jìn)等還有待進(jìn)一步的研究。