基于RFID天線阻抗自動匹配技術的研究

1、    基于RFID天線阻抗自動匹配技術的研究        時間:2011年03月19日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:            射頻設別( Radio Frequency Identification

2、，RFID)技術是從20世紀90年代興起并逐步走向成熟的一項自動識別技術，通過射頻耦合方式進行非接觸雙向通信，達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的。    因此，天線阻抗的自動匹配技術也將成為一種發(fā)展趨勢。本文論證了天線阻抗的手動匹配方法，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讀寫器的天線阻抗自動匹配方法。    1阻抗手動匹配技術    RFID系統(tǒng)使用外接天線與電子標簽進行無線通信。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

3、的變化還發(fā)生微弱變化，導致傳輸功率的無用損耗。國際上RFID讀寫器天線標準阻抗一般都為50， 本文設定阻抗匹配目標為(50 + j0)。天線電路如圖1所示，一般包含3個部分:    (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。    EMC濾波電路濾去了載波頻率為13. 56 MHz阻抗變換時的諧波干擾。它有一個固定的諧振頻率，這個頻率是實際數(shù)據(jù)傳輸率和最高副載波頻率的結合。如用曼切斯特編碼時，傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)率為424 kbit/ s，頻率為848

4、 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，通過在TX1 和TX2 兩點測量天線線路的反射系數(shù)(即參數(shù)S11 )來手動調諧，直到天線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 ) = 50， S11必須為0。    手動調諧即是交替不斷調整電容C1、C2 的值，同時觀察曲線變化，直到在所要求的頻率點S11等于0。圖2為某

5、一天線電路在頻率在1020MHz之間變化時，其反射系數(shù)的變化曲線，其中，標記13. 56MHz的點， S11值近似為0，達到了匹配要求。        圖2經(jīng)過手動匹配的天線smit圖    2阻抗自動匹配技術    本文提出了一種自動匹配技術，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長，且需要良好的意識和豐富的經(jīng)驗來選擇合適的電容，另外必須配備一些昂貴的設備，如網(wǎng)絡分析儀或阻抗分析儀等。對于一些小公

6、司來說，是不現(xiàn)實的。同時，一些手持式RF設備的發(fā)展使得手動匹配越來越不適應。對于這些移動設備，最理想的天線電路應該僅僅包含集成模塊，且隨著阻抗變化可以自動匹配。        圖3自動調諧匹配電路圖    2. 1測試電路    手工匹配采用的是阻抗分析儀或者網(wǎng)絡分析儀，網(wǎng)絡分析儀是用定向耦合器來測量天線電路的反射系數(shù)。但使用定向耦合器有幾個主要的缺點，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

7、路包含以下4部分。    (1)測量電橋用來測試天線的反射系數(shù)。主體部分為惠斯通電路，如圖4所示。其電路中的用波形產(chǎn)生器替代，用來生成13. 56 MHz的正弦載波信號。其中電阻R1、R2、R3 都為50 。    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= 50。    電橋平衡即Vd = 0，當Vd 的大小和相位都為0時，天線阻抗調諧完成。

8、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(nèi)部的整流器    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。      &#

9、160; 圖4測量電橋    在設計中用一個已經(jīng)過手動調諧的天線電路來驗證測量電路。手動調諧電路以圖1 的電路為基礎，用微調電容器取代電容C1 和C2 ，將天線電路連接到測量電橋，調節(jié)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 兩點測量天線的反射系數(shù)。測量結果如圖5所示，在頻率為13.    56MHz時，參數(shù)S11近似為0。這種檢查流程已成功經(jīng)過幾種不同阻抗的RFID天線檢測，在頻率為13.    56MHz時，測試天線的S11參數(shù)偏差都大

10、體相同。    這表明，這個偏差在測量電路中，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自動匹配天線的阻抗。在設計中，用其它可調電容電路將圖1中電容C1 和C2 替換。通常有三種類型的替換方法:    (1)微調電容器;(2)二極管電容;(3)電容陣列。  &

11、#160; 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，由半導體開關控制。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，開關選用了低電容DMOS開關。與普通開關不同， DMOS開關存在寄生效應。在斷開期間，開關引腳之間、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，同樣也使天線阻抗的調諧范圍變窄。這個問題仍然有待于進一步的研究。      

12、0; 圖6電容陣列網(wǎng)絡    2. 3控制器    控制器處理測量電路測到得數(shù)據(jù)，計算Vd 的值，并進一步控制DMOS開關，達到阻抗的匹配，同時它內(nèi)部集成的模數(shù)轉換器可以使幅值和相位值數(shù)字化。在手動阻抗匹配中，是調整C1 和C2 使幅值和相位偏移盡可能的為0。用一個簡單的算術來說明這個思路，當每一個被測對象被認為是二維平面里的一個點時，該點到零點的距離d可以用公式計算: d2 =A2 +2。幅值A 作為橫坐標，相位偏移作為縱坐標。因此，控制器調諧算法就是要找到最短的路徑d。在實際計算中， 用該算法掃描所有

13、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測試了完整的調諧系統(tǒng)，每種天線測試2 到3 輪不等。    結果如圖7所示，對于A， B兩種天線的任何一種，都找到了最優(yōu)C1 和C2 的組合。當頻率為13. 56MHz時，兩類天線的反射系數(shù)雖然與0點都有一定的偏差，但其偏差都在可接受范圍之內(nèi)。        圖7自動匹配天線的sm