中心議題：

• RFID係統天線阻抗手動匹配技術
• RFID係統天線阻抗自動匹配技術

解決方案：

• 適用於13. 56 MHz RFID讀寫器的天線阻抗自動匹配方法

射頻設別( Radio Frequency Identification，RFID)技術是從20世紀90年代興起並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，達到目標識別和數據交換的目的。

RFID讀(du)寫(xie)器(qi)在(zai)移(yi)動(dong)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，天(tian)線(xian)感(gan)應(ying)係(xi)數(shu)和(he)阻(zu)抗(kang)的(de)易(yi)變(bian)性(xing)造(zao)成(cheng)讀(du)寫(xie)器(qi)傳(chuan)輸(shu)功(gong)率(lv)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)損(sun)耗(hao)和(he)識(shi)別(bie)能(neng)力(li)的(de)下(xia)降(jiang)。對(dui)於(yu)讀(du)寫(xie)器(qi)天(tian)線(xian)阻(zu)抗(kang)的(de)匹(pi)配(pei)，國(guo)外(wai)一(yi)些(xie)大(da)公(gong)司(si)的(de)研(yan)究(jiu)已(yi)經(jing)轉(zhuan)向(xiang)自(zi)動(dong)匹(pi)配(pei)方(fang)麵(mian)
，並(bing)有(you)了(le)比(bi)較(jiao)成(cheng)功(gong)的(de)案(an)例(li)，而(er)國(guo)內(nei)應(ying)用(yong)研(yan)究(jiu)主(zhu)要(yao)還(hai)集(ji)中(zhong)於(yu)手(shou)動(dong)匹(pi)配(pei)方(fang)麵(mian)。隨(sui)著(zhe)集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，天(tian)線(xian)與(yu)讀(du)寫(xie)器(qi)模(mo)塊(kuai)將(jiang)向(xiang)集(ji)成(cheng)化(hua)發(fa)展(zhan)，對(dui)於(yu)天(tian)線(xian)阻(zu)抗(kang)的(de)匹(pi)配(pei)也(ye)將(jiang)提(ti)出(chu)新(xin)的(de)要(yao)求(qiu)
，而(er)手(shou)動(dong)匹(pi)配(pei)是(shi)個(ge)耗(hao)時(shi)長(chang)且(qie)複(fu)雜(za)的(de)過(guo)程(cheng)。

yinci，tianxianzukangdezidongpipeijishuyejiangchengweiyizhongfazhanqushi。benwenlunzhengletianxianzukangdeshoudongpipeifangfa，bingzaizuidahuayingyongjichengyuanjiandeqingkuangxia

，tichuleyizhongxindeshiyongyu13. 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係xi統tong使shi用yong外wai接jie天tian線xian與yu電dian子zi標biao簽qian進jin行xing無wu線xian通tong信xin。天tian線xian夾jia具ju形xing狀zhuang和he尺chi寸cun的de易yi變bian性xing使shi天tian線xian的de輸shu入ru阻zu抗kang易yi隨sui外wai部bu環huan境jing的de變bian化hua還hai發fa生sheng微wei弱ruo變bian化hua，導dao致zhi傳chuan輸shu功gong率lv的de無wu用yong損sun耗hao。國guo際ji上shangRFID讀寫器天線標準阻抗一般都為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zu抗kang變bian換huan時shi的de諧xie波bo幹gan擾rao。它ta有you一yi個ge固gu定ding的de諧xie振zhen頻pin率lv，這zhe個ge頻pin率lv是shi實shi際ji數shu據ju傳chuan輸shu率lv和he最zui高gao副fu載zai波bo頻pin率lv的de結jie合he。如ru用yong曼man切qie斯si特te編bian碼ma時shi，傳chuan輸shu的de最zui高gao數shu據ju率lv為wei424 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，通過在TX1 和TX2 兩點測量天線線路的反射係數(即參數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 ) = 50Ω

， 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等於0。圖2為某一天線電路在頻率在10～20MHz之間變化時，其反射係數的變化曲線
，其中
，標記13. 56MHz的點， S11值近似為0
，達到了匹配要求。

圖2　經過手動匹配的天線smit圖[page]

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(suo)示(shi)，主(zhu)要(yao)包(bao)含(han)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)

，匹(pi)配(pei)電(dian)路(lu)和(he)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)。因(yin)為(wei)手(shou)工(gong)匹(pi)配(pei)方(fang)法(fa)耗(hao)時(shi)長(chang)，且(qie)需(xu)要(yao)良(liang)好(hao)的(de)意(yi)識(shi)和(he)豐(feng)富(fu)的(de)經(jing)驗(yan)來(lai)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)電(dian)容(rong)
，另(ling)外(wai)必(bi)須(xu)配(pei)備(bei)一(yi)些(xie)昂(ang)貴(gui)的(de)設(she)備(bei)，如(ru)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)或(huo)阻(zu)抗(kang)分(fen)析(xi)儀(yi)等(deng)。對(dui)於(yu)一(yi)些(xie)小(xiao)公(gong)司(si)來(lai)說(shuo)，是(shi)不(bu)現(xian)實(shi)的(de)。同(tong)時(shi)
，一(yi)些(xie)手(shou)持(chi)式(shi)RF設she備bei的de發fa展zhan使shi得de手shou動dong匹pi配pei越yue來lai越yue不bu適shi應ying。對dui於yu這zhe些xie移yi動dong設she備bei，最zui理li想xiang的de天tian線xian電dian路lu應ying該gai僅jin僅jin包bao含han集ji成cheng模mo塊kuai，且qie隨sui著zhe阻zu抗kang變bian化hua可ke以yi自zi動dong匹pi配pei。

2. 1　測試電路
手shou工gong匹pi配pei采cai用yong的de是shi阻zu抗kang分fen析xi儀yi或huo者zhe網wang絡luo分fen析xi儀yi，網wang絡luo分fen析xi儀yi是shi用yong定ding向xiang耦ou合he器qi來lai測ce量liang天tian線xian電dian路lu的de反fan射she係xi數shu。但dan使shi用yong定ding向xiang耦ou合he器qi有you幾ji個ge主zhu要yao的de缺que點dian，例li如ru功gong率lv損sun耗hao大da和he很hen難nan嵌qian入ru到daoIC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　用來測試天線的反射係數。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 Ω。

根據基爾霍夫定律，得I₁ - I₂ + I_d = 0， I₃ - I_z - I_d =0

， I₁ R₁ + I₂ R₂ - I₃ R₃ = I_zZ
，得Z = R₂*R₃/R₁= 50Ω。

電橋平衡即V_d= 0，當V_d 的大小和相位都為0時
，天線阻抗調諧完成。V_d 計算公式為:：V_d = |V₂ -V_z | 

，V₂ = I₂ R₂ 
， V_z= I_zZ。

(2)振幅測量電路　測量V₂和V_z 幅度

， 並反饋到控製器。電路內部的整流器調整V₂ 和V_z 的(de)幅(fu)度(du)，消(xiao)去(qu)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)負(fu)半(ban)波(bo)
，為(wei)了(le)滿(man)足(zu)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)範(fan)圍(wei)要(yao)求(qiu)
，最(zui)後(hou)得(de)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)和(he)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)傳(chuan)送(song)到(dao)控(kong)製(zhi)器(qi)。經(jing)過(guo)控(kong)製(zhi)器(qi)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)後(hou)，比(bi)較(jiao)兩(liang)路(lu)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)
，計(ji)算(suan)出(chu)V_d  的值。

(3)相位測量電路　測量V₂ 和V_z 的相位， 並反饋到控製器。

(4)振幅測量電路　測量V₂ 和V_z的幅度
，並反饋到控製器。

圖4　測量電橋[page]

在設計中用一個已經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

，調節微調電容器，使測量到信號的幅度和相位近似為0。然後在TX1、TX2 兩點測量天線的反射係數。測量結果如圖5所示
，在頻率為13.56MHz時，參數S11近似為0。這種檢查流程已成功經過幾種不同阻抗的RFID天線檢測，在頻率為13.56MHz時，測試天線的S11參數偏差都大體相同。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。

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製電壓。因此
，最好的方法是用電容陣列，如圖6所示，由半導體開關控製。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
、xinhaoyinjiaoyudizhijiandoucunzaizhejishengdianrong。zhexiedianrongshidedianrongzhenliedetiaoxiefanweibianzhai，tongyangyeshitianxianzukangdetiaoxiefanweibianzhai。zhegewentirengranyoudaiyujinyibudeyanjiu。

圖6　電容陣列網絡

2. 3　控製器
控製器處理測量電路測到得數據，計算Vd 的值
，並進一步控製DMOS開關，達到阻抗的匹配，同時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麵裏的一個點時
，該點到零點的距離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
，控製器調諧算法就是要找到最短的路徑d。在實際計算中， 用該算法掃描所有的電容組合，以得到一組電容值使d2 最小，用這組數據來匹配阻抗。

3　功能驗證

設計完成後，用A
，B兩種阻抗不同的天線測試了完整的調諧係統，每種天線測試2 到3 輪不等。結果如圖7所示，對於A， B兩種天線的任何一種，都找到了最優C1 和C2 的組合。當頻率為13. 56MHz時
，兩類天線的反射係數雖然與0點都有一定的偏差，但其偏差都在可接受範圍之內。

圖7　自動匹配天線的smit圖

4　結論

本文提出了一種適用於天線的阻抗自動匹配方法，基於此方法設計了集測量電路，匹配電路
，控製電路於一體的集成RFID天tian線xian阻zu抗kang自zi動dong匹pi配pei虛xu擬ni係xi統tong。最zui後hou
，通tong過guo實shi驗yan測ce試shi
，該gai係xi統tong模mo型xing運yun作zuo良liang好hao，大da體ti實shi現xian了le匹pi配pei要yao求qiu。然ran而er
，電dian容rong陣zhen列lie的de優you化hua
，匹pi配pei算suan法fa的de改gai進jin等deng還hai有you待dai進jin一yi步bu的de研yan究jiu。