基于RFID的天線阻抗自動(dòng)匹配技術(shù)的設(shè)計(jì)

射頻設(shè)別( Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是從20世紀(jì)90年代興起并逐步走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻耦合方式進(jìn)行非接觸雙向通信，達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。

　　RFID讀寫(xiě)器在移動(dòng)過(guò)程中，天線感應(yīng)系數(shù)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(shí)別能力的下降。對(duì)于讀寫(xiě)器天線阻抗的匹配，國(guó)外一些大公司的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向自動(dòng)匹配方面，并有了比較成功的案例，而國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究主要還集中于手動(dòng)匹配方面。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，天線與讀寫(xiě)器模塊將向集成化發(fā)展，對(duì)于天線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(zhǎng)且復(fù)雜的過(guò)程。

　　因此，天線阻抗的自動(dòng)匹配技術(shù)也將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。本文論證了天線阻抗的手動(dòng)匹配方法，并在最大化應(yīng)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)器的天線阻抗自動(dòng)匹配方法。

　　1　阻抗手動(dòng)匹配技術(shù)

　　RFID系統(tǒng)使用外接天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信。天線夾具形狀和尺寸的易變性使天線的輸入阻抗易隨外部環(huán)境的變化還發(fā)生微弱變化，導(dǎo)致傳輸功率的無(wú)用損耗。國(guó)際上RFID讀寫(xiě)器天線標(biāo)準(zhǔn)阻抗一般都為50Ω， 本文設(shè)定阻抗匹配目標(biāo)為(50 + j0)Ω。天線電路如圖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(diào)諧電容C1、C2 的匹配電路；(3)天線。

　　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(shù)據(jù)傳輸率和最高副載波頻率的結(jié)合。如用曼切斯特編碼時(shí)，傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)率為424 kbit/ s，頻率為848 kHz，則諧振頻率為14. 408MHz。

圖1　天線電路框圖

　　在載波頻率為13. 56 MHz時(shí)，通過(guò)在TX1 和TX2 兩點(diǎn)測(cè)量天線線路的反射系數(shù)(即參數(shù)S11 )來(lái)手動(dòng)調(diào)諧，直到天線電路的輸入阻抗達(dá)到目標(biāo)，計(jì)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(diào)諧即是交替不斷調(diào)整電容C1、C2 的值，同時(shí)觀察曲線變化，直到在所要求的頻率點(diǎn)S11等于0。圖2為某一天線電路在頻率在10～20MHz之間變化時(shí)，其反射系數(shù)的變化曲線，其中，標(biāo)記13. 56MHz的點(diǎn)， S11值近似為0，達(dá)到了匹配要求。

圖2　經(jīng)過(guò)手動(dòng)匹配的天線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(cè)量電路，匹配電路和控制電路。因?yàn)槭止てヅ浞椒ê臅r(shí)長(zhǎng)，且需要良好的意識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇合適的電容，另外必須配備一些昂貴的設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀等。對(duì)于一些小公司來(lái)說(shuō)，是不現(xiàn)實(shí)的。同時(shí)，一些手持式RF設(shè)備的發(fā)展使得手動(dòng)匹配越來(lái)越不適應(yīng)。對(duì)于這些移動(dòng)設(shè)備，最理想的天線電路應(yīng)該僅僅包含集成模塊，且隨著阻抗變化可以自動(dòng)匹配。

圖3　自動(dòng)調(diào)諧匹配電路圖

　　2. 1　測(cè)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(cè)量天線電路的反射系數(shù)。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(cè)量電路包含以下4部分。

　　(1)測(cè)量電橋　用來(lái)測(cè)試天線的反射系數(shù)。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(hào)。其中電阻R1、R2、R3 都為50 Ω。

　　根據(jù)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(dāng)Vd 的大小和相位都為0時(shí)，天線阻抗調(diào)諧完成。Vd 計(jì)算公式為: Vd = |V2 -VZ | ，V2 = I2 R2 ， VZ = IZ Z。

　　(2)振幅測(cè)量電路　測(cè)量V2 和VZ 幅度， 并反饋到控制器。電路內(nèi)部的整流器調(diào)整V2 和VZ 的幅度，消去輸入信號(hào)的負(fù)半波，為了滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍要求，最后得到的信號(hào)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(shù)轉(zhuǎn)換后，比較兩路信號(hào)的幅度，計(jì)算出Vd 的值。

　　較兩路信號(hào)的幅度，計(jì)算出Vd 的值。

　　(3)相位測(cè)量電路　測(cè)量V2 和VZ 的相位， 并反饋到控制器。

　　(4)振幅測(cè)量電路　測(cè)量V2 和VZ 的幅度，并反饋到控制器。

圖4　測(cè)量電橋

　　在設(shè)計(jì)中用一個(gè)已經(jīng)過(guò)手動(dòng)調(diào)諧的天線電路來(lái)驗(yàn)證測(cè)量電路。手動(dòng)調(diào)諧電路以圖1 的電路為基礎(chǔ)，用微調(diào)電容器取代電容C1 和C2 ，將天線電路連接到測(cè)量電橋，調(diào)節(jié)微調(diào)電容器，使測(cè)量到信號(hào)的幅度和相位近似為0。然后在TX1、TX2 兩點(diǎn)測(cè)量天線的反射系數(shù)。測(cè)量結(jié)果如圖5所示，在頻率為13.

　　56MHz時(shí)，參數(shù)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天線檢測(cè)，在頻率為13.

　　56MHz時(shí)，測(cè)試天線的S11參數(shù)偏差都大體相同。

　　這表明，這個(gè)偏差在測(cè)量電路中，是不可避免的，且不影響匹配。

圖5　天線的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)匹配天線的阻抗。在設(shè)計(jì)中，用其它可調(diào)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(diào)電容器;(2)二極管電容;(3)電容陣列。

　　機(jī)械微調(diào)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(hào)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(dǎo)體開(kāi)關(guān)控制。將圖1 中的C1、C2 用電容陣列取代。當(dāng)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(yīng)。在斷開(kāi)期間，開(kāi)關(guān)引腳之間、信號(hào)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(diào)諧范圍變窄，同樣也使天線阻抗的調(diào)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(cè)量電路測(cè)到得數(shù)據(jù)，計(jì)算Vd 的值，并進(jìn)一步控制DMOS開(kāi)關(guān)，達(dá)到阻抗的匹配，同時(shí)它內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以使幅值和相位值數(shù)字化。在手動(dòng)阻抗匹配中，是調(diào)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(dāng)每一個(gè)被測(cè)對(duì)象被認(rèn)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(jì)算: d2 =A2 +φ2。幅值A(chǔ) 作為橫坐標(biāo)，相位偏移φ作為縱坐標(biāo)。因此，控制器調(diào)諧算法就是要找到最短的路徑d。在實(shí)際計(jì)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(shù)據(jù)來(lái)匹配阻抗。

　　3　功能驗(yàn)證

　　設(shè)計(jì)完成后，用A，B兩種阻抗不同的天線測(cè)試了完整的調(diào)諧系統(tǒng)，每種天線測(cè)試2 到3 輪不等。

　　結(jié)果如圖7所示，對(duì)于A， B兩種天線的任何一種，都找到了最優(yōu)C1 和C2 的組合。當(dāng)頻率為13. 56MHz時(shí)，兩類(lèi)天線的反射系數(shù)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(nèi)。

　圖7　自動(dòng)匹配天線的smit圖

　　4　結(jié)論

　　本文提出了一種適用于天線的阻抗自動(dòng)匹配方法，基于此方法設(shè)計(jì)了集測(cè)量電路，匹配電路，控制電路于一體的集成RFID天線阻抗自動(dòng)匹配虛擬系統(tǒng)。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)模型運(yùn)作良好，大體實(shí)現(xiàn)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。