中心議題：

• 探究RFID天線阻抗自動匹配技術

解決方案：

• 最好的方法是用電容陣列
• 利用自動匹配天線

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。

RFIDduxieqizaiyidongguochengzhong，tianxianganyingxishuhezukangdeyibianxingzaochengduxieqichuanshugonglvbubiyaodesunhaoheshibienenglidexiajiang。duiyuduxieqitianxianzukangdepipei，guowaiyixiedagongsideyanjiuyijingzhuanxiangzidongpipeifangmian，bingyoulebijiaochenggongdeanli，erguoneiyingyongyanjiuzhuyaohaijizhongyushoudongpipeifangmian。suizhejichengjishudefazhan
，tianxianyuduxieqimokuaijiangxiangjichenghuafazhan，duiyutianxianzukangdepipeiyejiangtichuxindeyaoqiu

，ershoudongpipeishigehaoshichangqiefuzadeguocheng。

因(yin)此(ci)
，天(tian)線(xian)阻(zu)抗(kang)的(de)自(zi)動(dong)匹(pi)配(pei)技(ji)術(shu)也(ye)將(jiang)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。本(ben)文(wen)論(lun)證(zheng)了(le)天(tian)線(xian)阻(zu)抗(kang)的(de)手(shou)動(dong)匹(pi)配(pei)方(fang)法(fa)，並(bing)在(zai)最(zui)大(da)化(hua)應(ying)用(yong)集(ji)成(cheng)元(yuan)件(jian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)適(shi)用(yong)於(yu)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(shang)RFID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 MHzzukangbianhuanshidexieboganrao。tayouyigegudingdexiezhenpinlv，zhegepinlvshishijishujuchuanshulvhezuigaofuzaibopinlvdejiehe。ruyongmanqiesitebianmashi，chuanshudezuigaoshujulvwei424 kbit/ s

，頻率為848 kHz，則諧振頻率為14. 408MHz。
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。
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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 + Id = 0
， I3 - IZ - Id =0
， I1 R1 + I2 R2 - I3 R3 = IZ Z，得Z = R2*R3/R1= 50Ω。

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。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， 並反饋到控製器。電路內部的整流器調整V2 和VZ 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chuVd 的值。

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， 並反饋到控製器。

(4)振幅測量電路　測量V2 和VZ 的幅度，並反饋到控製器。
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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。

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。 [page]
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。

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)。