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。

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

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(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。

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3suoshi

，zhuyaobaohanceliangdianlu，pipeidianluhekongzhidianlu。yinweishougongpipeifangfahaoshichang，qiexuyaolianghaodeyishihefengfudejingyanlaixuanzeheshidedianrong，lingwaibixupeibeiyixieangguideshebei

，ruwangluofenxiyihuozukangfenxiyideng。duiyuyixiexiaogongsilaishuo，shibuxianshide。tongshi，yixieshouchishiRFshebeidefazhanshideshoudongpipeiyuelaiyuebushiying。duiyuzhexieyidongshebei
，zuilixiangdetianxiandianluyinggaijinjinbaohanjichengmokuai，qiesuizhezukangbianhuakeyizidongpipei。

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(dao)IC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。