基于RFID天线阻抗自动匹配技术的研究
Vo l. 33 No. 2 第 33卷 第 2期电 子 器 件Ch ine se Jou rna l of E lec tron D evice s 2010年 4 月Ap r. 2010
3 Researcho n Autom aticM a tch ing Technology Afonr t enna Im pedanceB a sed on RF ID
3 BA 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 tenna’s reflec tion coeffic ien t, then feed2
() back 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 rray
EEACC : 5270
3
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
() 杭州电子科技大学电子信息学院 ,杭州 310018
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 摘 要 :
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
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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, 1 阻抗手动匹配技术)R F ID 技术是从 20 世纪 90 年代兴起并逐步走向成
R F ID 系统使用外接天线与电子标签进行无线 熟的一项自动识别技术 ,通过射频耦合方式进行非 通信 。天线夹具形状和尺寸的易变性使天线的输入 接触双向通信 , 达到 目标 识 别和 数据 交 换的 目的 。阻抗易随外部环境的变化还发生微弱变化 ,导致传 R F ID 读写器在移动过程中 ,天线感应系数和阻抗的 输功率的无用损耗 。国际上 R F ID 读写器天线
标准
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易变性造成读写器传输功率不必要的损耗和识别能 Ω 阻抗 一 般 都 为 50, 本 文 设 定 阻 抗 匹 配 目 标 为 [ 1 - 2 ] ( )Ω50 + j0 。天线电路如图 1 所示 , 一般包含 3 个 力的下降 。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 部分 :
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 [ 5 ] ( )( )()1 电磁兼容 EMC滤波 L, C电路 ; 0 0 模块将向集成化发展 ,对于天线阻抗的匹配也将提
( )2 包含可调谐电容 C、C的匹配电路 ; 出新的要求 ,而手动匹配是个耗时长且复杂的过程 。 1 2 因此 ,天线阻抗的自动匹配技术也将成为一种发展 ( )3 天线 。 [ 3 - 4 ] 趋势 。本文论证了天线阻抗的手动匹配方法 , EMC滤波电路滤去了载波频率为 13. 56 MHz阻并在最大化应用集成元件的情况下 ,提出了一种新 抗变换时的谐波干扰 。它有一个固定的谐振频率 ,这个 的适用于 13. 56 MH z R F ID 读写器的天线阻抗自动 频率是实际数据传输率和最高副载波频率的结合 。如 匹配方法 。
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[ 6 ] 在载波 频 率 为 13. 56 MH z 时 , 通 过 在 TX和 反射系数 。但使用定 向 耦合 器有 几 个主 要的 缺1
() 点 ,例如功率损耗大和很难嵌入到 IC芯片 。故而本 TX两点测量天线线路的反射系数 即参数 S来 2 11
手动调谐 ,直到天线电路的输入阻抗达到目标 ,计算 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 + S 11) ( 方程如下 : S= Z× ,又有 Z= 50 W ,可以 11 L L 1 - S ( )111 测量电桥 用来测试天线的反射系数 。主[ 7 ] ( ) Ω 看出 ,要使 S= 50 , S必须为 0。 11 11体部分为惠斯通电路 ,如图 4 所示 。其电路中的
手动调谐即是交替不断调整电容 C、C的值 , 1 2 直流电源用波形产生器替代 ,用来生成 13. 56 MH z
同时观察曲线变化 ,直到在所要求的频率点 S等于Ω的正弦载波信号 。其中电阻 R、R、R都为 50 。 111 2 3
0。图 2为某一天线电路在频率在 10,20 MH z之间 I-I+ I= 0 , I- I- I=根据基尔霍夫定律 ,得 1 2 d 3 Z d
13. 56 变化时 ,其反射系数的变化曲线 , 其中 , 标记 R 3Ω0 , IR+ IR- IR= IZ , 得 Z = R= 50 。 1 1 2 2 3 3 Z 2 R MH z的点 , S值近似为 0 ,达到了匹配要求 。 111
电桥平衡即 V= 0 ,当 V的大小和相位都为 0 d d
时 ,天线阻抗调谐完成 。V计算公式为 : V= | V- d d 2
V| , V= IR, V= IZ。 Z 2 2 2 Z Z
( )2 振幅测量电路 测量 V和 V幅度 , 并反 2 Z
馈到控制器 。电路内部的整流器调整 V和 V的幅 2 Z
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 V的值 。 d ( ) 3 相位测量电路V和 V的相位 , 并 测量 2 Z 图 2 经过手动匹配的天线 sm ith图 反馈到控制器 。
( )4 振幅测量电路 测量 V和 V的幅度 , 并 2 Z 2 阻抗自动匹配技术
反馈到控制器 。 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
测量电桥图 4
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 C和 C,将天线电路连 1 2 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
207 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
度和相位近似为 0。然后在 TX、TX两点测量天线 时它内部集成的模数转换器可以使幅值和相位值数1 2 ,是调整 C和 C使幅值 字化 。在手动阻抗匹配中 1 2 的反射系数 。测量结果如图 5 所示 , 在频率为 13.和相位偏移尽可能的为 0。用一个简单的算术来说 56 MH z时 ,参数 S近似为 0。这种检查
流程
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已成功 11明这个思路 , 当每一个被测对象被认为是二维平面 经过几种不同阻抗的 R F ID 天线
检测
工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训
,在频率为 13. 里的一个点时 , 该点到零点的距离 d 可以用公式计 2 2 2 56 MH z时 , 测试 天线 的 S参数 偏 差 都 大 体 相 同 。 φφ11 算 : d= A+。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 这表明 ,这个偏差在测量电路中 ,是不可避免的 ,且
的路径 d。在实际计算中 , 用该算法扫描所有的电 不影响匹配 。2 容组合 , 以得到一组电容值使 d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 C和 C的 组 合 。当 频 率 为 13. 561 2 MH z时 ,两类天线的反射系数虽然与 0 点都有一定 图 5 天线的 sm ith图的偏差 ,但其偏差都在可接受范围之内 。 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 C和 C替换 。通常有三种类型的替换方法 : 1 2
( )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 图 7 自动匹配天线的 sm ith图导体开关控 制 。将 图 1 中的 C、C用电 容 阵列 取 1 2
4 结论代 。当电容值在 1 到 50 p F 之间时 , 开关选用了低 [ 8 ] 本文提出了一种适用于天线的阻抗自动匹配方 电容 DMO S开关 。与普通开关不同 , DMO S开关
法 ,基于此方法设计了集测量电路 ,匹配电路 ,控制 存在寄生效应 。在断开期间 ,开关引脚之间 、信号引
电路于一体的集成 R F ID 天线阻抗自动匹配虚拟系 脚与地之间都存在这寄生电容 。这些电容使得电容 统 。最后 ,通过实验测试 ,该系统模型运作良好 ,大 阵列的调谐范围变窄 ,同样也使天线阻抗的调谐范 体实现了匹配要求 。然而 ,电容阵列的优化 ,匹配算 围变窄 。这个问题仍然有待于进一步的研究 。 法的改进等还有待进一步的研究 。
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( ) R F ID System s [ C ] / / IEEE In te rna tional Conference on Indu stria l 2004 , 23 1 : 14 - 16. 刘俊刁. 对自组惠斯通 电桥测 电阻 中桥路 参数 选择的 探讨 Techno logy, 2004 , 912 - 916. [ 7 ] ( ) [ J ]. 物理实验 , 1996 , 16 6 : 241 - 243. [ 5 ] 王大平 ,张杭 , 赵新明. 电磁兼容设计中的滤波方法 [ J ]. 北 黄江 ,王卫华. 新型的功率器件 - 射频 LDMO S [ J ]. 南京 : 微 ( ) 京 :电气时代 , 2008 , 17 2 : 80 - 83. [ 8 ] ( ) 波学报 , 2006 , 22 3 : 48 - 51. [ 6 ] 蒋晓红. 射 频 和 微 波 元 器 件 的 测 试 [ J ].北 京 : 测 控 技 术 ,
( ) ( ) 白兴文 1983 - , 男 , 山 西 吕 梁 人 , 杭张亚君 1956 - , 女 , 浙 江 杭 州 人 , 硕州电子科 技 大 学 在 读 硕 士 研 究 生 , 电 士生导师 , 现 为 杭 州 电 子 科 技 大 学 实 路与系 统 专 业 , 从 事 电 子 系 统 、R F ID 验中心副 主 任 , 研 究 方 向 为 电 子 技 术
应用 、电 子 医 疗 仪 器 应 用 、R F ID 技 术 方面的研究 , bxw142325 @ 163. com;
应用 。