基于RFID天线阻抗自动匹配技术的研究

1、    基于RFID天线阻抗自动匹配技术的研究        时间:2011年03月19日     字 体: 大 中 小        关键词:            射频设别( Radio Frequency Identification

2、，RFID)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。    因此，天线阻抗的自动匹配技术也将成为一种发展趋势。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 MHz RFID读写器的天线阻抗自动匹配方法。    1阻抗手动匹配技术    RFID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

3、的变化还发生微弱变化，导致传输功率的无用损耗。国际上RFID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:    (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

4、 kHz，则谐振频率为14. 408MHz。        图1天线电路框图    在载波频率为13. 56 MHz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，计算方程如下：，又有ZL = 50W，可以看出，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

5、一天线电路在频率在1020MHz之间变化时，其反射系数的变化曲线，其中，标记13. 56MHz的点， S11值近似为0，达到了匹配要求。        图2经过手动匹配的天线smit图    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的设备，如网络分析仪或阻抗分析仪等。对于一些小公

6、司来说，是不现实的。同时，一些手持式RF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。        图3自动调谐匹配电路图    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

7、路包含以下4部分。    (1)测量电桥用来测试天线的反射系数。主体部分为惠斯通电路，如图4所示。其电路中的用波形产生器替代，用来生成13. 56 MHz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 =0， I1 R1 + I2 R2 - I3 R3 = IZ Z，得Z = R2*R3/R1= 50。    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。

8、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    较两路信号的幅度，计算出Vd 的值。    (3)相位测量电路测量V2 和VZ 的相位， 并反馈到控制器。    (4)振幅测量电路测量V2 和VZ 的幅度，并反馈到控制器。      &#

9、160; 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.    56MHz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RFID天线检测，在频率为13.    56MHz时，测试天线的S11参数偏差都大

10、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。        图5天线的smit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。  &

11、#160; 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 pF之间时，开关选用了低电容DMOS开关。与普通开关不同， DMOS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。      

12、0; 图6电容阵列网络    2. 3控制器    控制器处理测量电路测到得数据，计算Vd 的值，并进一步控制DMOS开关，达到阻抗的匹配，同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

13、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. 56MHz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7自动匹配天线的sm