基于RFID天线阻抗自动匹配技术的研究.doc

电 子 器 件Ch ine se Jou rna l of E lec tron D evice s第 33卷 第 2期2010年 4 月Vo l. 33 No. 2Ap r. 2010Im pedance Ba sed on RF ID 3Research on Automa tic M a tch ing Technology for An tenna3BA I X ingw en , ZHAN G Ya jun( Institu te of E lectron ic Inform a tion, Hangzhou D ianzi U n iversity, H angzhou 310018, C h ina)A b stra c t: A n virtua l e lec tron ic au tom a tic m a tch ing system wa s de signed, u sed fo r R F ID an tenna imp edance. Th is de sign is low co st, fa st m a tch ing, h igh re liab ility. Te st c ircu it m ea su re s an tennas reflec tion coeffic ien t, then feed2back s to m ic rop roce sso r con tro l un it (MCU ) , and MCU con tro ls the cap ac itance sw itche s of au tom a tic m a tch ing c ir2 cu it to ach ieve imp edance m a tch ing. The exp e rim en ta l re su lts show tha t, w ith in the e rro r a llowed, th is system m a in ta in s reflec tion coeffic ien t a t a round 0 au tom a tica lly and ach ieve s the be st tran sm ission fo r R F ID powe r.Key word s: R F ID; au tom a tic m a tch ing; an tenna imp edance; cap ac ito r a rrayEEACC : 5270基于 R F ID 天线阻抗自动匹配技术的研究 3白兴文 ,张亚君 3(杭州电子科技大学电子信息学院 ,杭州 310018)摘要 :构建了一个能为 R F ID 天线阻抗的动态变化提供匹配的自动阻抗匹配虚拟系统 。该系统的主要特点是成本低 ,匹配迅速 ,可靠性高 。测试电路测得天线的反射系数 ,反馈到微处理器 ,经处理后自动控制匹配电路的电容开关实现阻抗的匹配 。 实验结果表明 ,在误差允许范围内 ,该系统自动将反射系数稳定在 0点的周围 ,实现了 R F ID 读写器功率的最佳传输 。关键词 :射频识别技术 ;自动匹配 ;天线阻抗 ;电容阵列中图分类号 : TP271文献标识码 : A文章编号 : 1005 - 9490 ( 2010 ) 02 - 0205 - 04射 频 设 别 ( R ad io F requency Iden tifica tion,R F ID )技术是从 20 世纪 90 年代兴起并逐步走向成 熟的一项自动识别技术 ,通过射频耦合方式进行非接触双向通信 , 达到 目标 识 别和 数据 交 换的 目的 。R F ID 读写器在移动过程中 ,天线感应系数和阻抗的 易变性造成读写器传输功率不必要的损耗和识别能力的下降 1 - 2 。对于读写器天线阻抗的匹配 ,国外一些大公司的研究已经转向自动匹配方面 ,并有了 比较成功的案例 ,而国内应用研究主要还集中于手 动匹配方面 。随着集成技术的发展 ,天线与读写器 模块将向集成化发展 ,对于天线阻抗的匹配也将提 出新的要求 ,而手动匹配是个耗时长且复杂的过程 。 因此 ,天线阻抗的自动匹配技术也将成为一种发展 趋势 3 - 4 。本文论证了天线阻抗的手动匹配方法 , 并在最大化应用集成元件的情况下 ,提出了一种新 的适用于 13. 56 MH z R F ID 读写器的天线阻抗自动 匹配方法 。1 阻抗手动匹配技术R F ID 系统使用外接天线与电子标签进行无线 通信 。天线夹具形状和尺寸的易变性使天线的输入 阻抗易随外部环境的变化还发生微弱变化 ,导致传 输功率的无用损耗 。国际上 R F ID 读写器天线标准 阻抗 一 般 都 为 50 , 本 文 设 定 阻 抗 匹 配 目 标 为 ( 50 + j0 )。天线电路如图 1 所示 , 一般包含 3 个 部分 : 5 ( 1 )电磁兼容 ( EMC)滤波 (L0 , C0 )电路;( 2 )包含可调谐电容 C1 、C2 的匹配电路 ; ( 3 )天线 。EMC滤波电路滤去了载波频率为 13. 56 MHz阻抗变换时的谐波干扰 。它有一个固定的谐振频率 ,这个 频率是实际数据传输率和最高副载波频率的结合 。如用曼切斯特编码时 ,传输的最高数据率为 424 kbit / s,频率为 848 kHz,则谐振频率为 14. 408 MHz。项目来源 :浙江省科技厅面上项目资助 ( 2008C23039)收稿日期 : 2009 - 10 - 16修改日期 : 2009 - 10 - 26的设备 ,如网络分析仪或阻抗分析仪等 。对于一些小公司来说 ,是不现实的 。同时 ,一些手持式 R F 设 备的发展使得手动匹配越来越不适应 。对于这些移 动设备 ,最理想的天线电路应该仅仅包含集成模块 , 且随着阻抗变化可以自动匹配 。2. 1 测试电路手工匹配采用的是阻抗分析仪或者网络分析 仪 ,网络分析仪是用定向耦合器来测量天线电路的图 1 天线电路框图在载波 频 率 为 13. 56 MH z 时 , 通 过 在 TX1 和 TX2 两点测量天线线路的反射系数 (即参数 S11 ) 来 手动调谐 ,直到天线电路的输入阻抗达到目标 ,计算 6 反射系数。但使用定 向 耦合 器有 几 个主 要的 缺点 ,例如功率损耗大和很难嵌入到 IC芯片 。故而本 文在电路中不使用耦合器 ,从图 3看出 ,测量电路包含以下 4部分 。( 1 )测量电桥用来测试天线的反射系数 。主 1 + S11方程如下 : ( S11 ) = ZL ,又有 ZL = 50 W ,可以1 - S11看出 ,要使 ( S11 ) = 50 , S11必须为 0。手动调谐即是交替不断调整电容 C1 、C2 的值 ,同时观察曲线变化 ,直到在所要求的频率点 S11等于0。图 2为某一天线电路在频率在 1020 MH z之间 7 体部分为惠斯通电路,如图 4 所示 。其电路中的直流电源用波形产生器替代 ,用来生成 13. 56 MH z的正弦载波信号 。其中电阻 R1 、R2 、R3 都为 50 。根据基尔霍夫定律 ,得I1 -I2 + Id = 0 , I3 - IZ - Id =变化时 ,其反射系数的变化曲线 , 其中 , 标记MH z的点 , S11值近似为 0 ,达到了匹配要求 。13. 56R30 , I1 R1 + I2 R2 - I3 R3 = IZ Z , 得 Z = R2= 50 。R1电桥平衡即 Vd = 0 ,当 Vd 的大小和相位都为 0 时 ,天线阻抗调谐完成 。Vd 计算公式为 : Vd = | V2 - VZ | , V2 = I2 R2 , VZ = IZ Z。( 2 )振幅测量电路 测量 V2 和 VZ 幅度 , 并反 馈到控制器 。电路内部的整流器调整 V2 和 VZ 的幅度 , 消去输入信号的负半波 , 为了满足模数转换电路 的输入范围要求 , 最后得到的信号经过低通滤波和 放大电路传送到控制器 。经过控制器模数转换后 , 比较两路信号的幅度 , 计算出 Vd 的值 。( 3 )相位测量电路反馈到控制器 。( 4 )振幅测量电路 反馈到控制器 。测量 V2 和 VZ 的相位 , 并图 2 经过手动匹配的天线 sm ith图测量 V2 和 VZ 的幅度 , 并2 阻抗自动匹配技术本文提出了一种自动匹配技术 , 其电路如图3所示 ,主要包含测量电路 ,匹配电路和控制电路 。因为手工匹配方法耗时长 ,且需要良好的意识和丰富 的经验来选择合适的电容 ,另外必须配备一些昂贵图 4测量电桥在设计中用一个已经过手动调谐的天线电路来验证测量电路 。手 动 调谐 电路 以图 1 的电 路为 基 础 ,用微调电容器取代电容 C1 和 C2 ,将天线电路连 接到测量电桥 ,调节微调电容器 ,使测量到信号的幅图 3 自动调谐匹配电路图第 2期白兴文 ,张亚君 :基于 R F ID 天线阻抗自动匹配技术的研究207度和相位近似为 0。然后在 TX1 、TX2 两点测量天线的反射系数 。测量结果如图 5 所示 , 在频率为 13.56 MH z时 ,参数 S11近似为 0。这种检查流程已成功 经过几种不同阻抗的 R F ID 天线检测 ,在频率为 13.56 MH z时 , 测试 天线 的 S11 参数 偏 差 都 大 体 相 同 。 这表明 ,这个偏差在测量电路中 ,是不可避免的 ,且不影响匹配 。时它内部集成的模数转换器可以使幅值和相位值数字化 。在手动阻抗匹配中 ,是调整 C1 和 C2 使幅值 和相位偏移尽可能的为 0。用一个简单的算术来说 明这个思路 , 当每一个被测对象被认为是二维平面 里的一个点时 , 该点到零点的距离 d 可以用公式计 算 : d2 = A2 +2 。幅值 A 作为横坐标 , 相位偏移 作 为纵坐标 。因此 , 控制器调谐算法就是要找到最短 的路径 d。在实际计算中 , 用该算法扫描所有的电 容组合 , 以得到一组电容值使 d2 最小 ,用这组数据 来匹配阻抗 。3 功能验证设计完成后 ,用 A , B 两种阻抗不同的天线测试了完整的调 谐 系统 , 每 种天 线测 试 2 到 3 轮 不 等 。结果如图 7 所示 ,对于 A , B 两种天线的任何一种 ,都找 到 了 最 优 C1 和 C2 的 组 合 。当 频 率 为 13. 56MH z时 ,两类天线的反射系数虽然与 0 点都有一定 的偏差 ,但其偏差都在可接受范围之内 。图 5 天线的 sm ith图2. 2 匹配电路匹配电路是在微控器作用下来自动匹配天线的 阻抗 。在设计中 ,用其它可调电容电路将图 1 中电 容 C1 和 C2 替换 。通常有三种类型的替换方法 :( 1 )微调电容器 ; ( 2 )二极管电容 ; ( 3 )电容阵列 。机械微调电容器既不是集成的也不是电可控 的 ,二极管电容不能充分隔离信号电压和控制电压 。因此 ,最好的方法是用电容阵列 ,如图 6 所示 ,由半 导体开关控 制 。将 图 1 中的 C1 、C2 用电 容 阵列 取 代 。当电容值在 1 到 50 p F 之间时 , 开关选用了低 电容 DMO S开关 8 。与普通开关不同 , DMO S开关 存在寄生效应 。在断开期间 ,开关引脚之间 、信号引脚与地之间都存在这寄生电容 。这些电容使得电容 阵列的调谐范围变窄 ,同样也使天线阻抗的调谐范 围变窄 。这个问题仍然有待于进一步的研究 。图 7 自动匹配天线的 sm ith图4 结论本文提出了一种适用于天线的阻抗自动匹配方 法 ,基于此方法设计了集测量电路 ,匹配电路 ,控制 电路于一体的集成 R F ID 天线阻抗自动匹配虚拟系 统 。最后 ,通过实验测试 ,该系统模型运作良好 ,大 体实现了匹配要求 。然而 ,电容阵列的优化 ,匹配算 法的改进等还有待进一步的研究 。参考文献 :游战清 ,李苏剑. 无线射频识别技术 ( R F ID )理论与应用 M .北京 : 电子工业出版社 , 2004: 1 - 10.周晓光 ,王晓华 ,王伟. 射频识别 ( R F ID ) 系统设计 、仿真与应 用 M . 北京 :人民邮电出版社 , 2008: 1 - 6.刘华 ,王利斌. 微波自动阻抗匹配系统的研究 J . 电子测量 技术 , 2007 , 30 ( 6 ) : 40 - 43.Ge rald Ste ine r, H ube rt Zangl, Pau l Fu lm ek. A Tun ing Tran sfo rm 2e r fo r the A u tom a tic A d ju stm en t of R e sonan t Loop A n tenna s in 1 2 图 6 电容阵列网络 3 2. 3 控制器控制器处理测 量 电 路 测 到 得 数 据 , 计 算 V d 的值 ,并进一步控制 DMO S开关 ,达到阻抗的匹配 ,同 4 R F ID System s C / / IEEE In te rna t