用于射頻識別標簽天線測試的可調匹配網絡

唐 濤 夏運強 宋開軍 杜國宏

（1.成都信息工程學院電子工程學院，四川 成都610225；2.電子科技大學電子工程學院，四川 成都610054）

引 言

得益于物流管理、身份識別、電子票據和非接觸支付等領域無線通信應用的不斷擴展，超高頻（ultrahigh frequency，UHF）射頻識別（radio frequen-cy identification，RFID）技術及其影響近年來備受學者關注［1-2］.目前各國劃分給RFID使用的UHF頻段不盡相同，例如歐洲為860.6～867.6MHz，北美為902～960MHz，日本為952～954MHz［3-4］，而我國信息產業部公布的8 0 0/9 0 0MHzRFID技術應用規定（試行）則劃分為兩個頻段840～845MHz和920～925MHz.典型的RFID系統由讀寫器、標簽和交互軟件組成，其中標簽由輻射天線和RFID芯片組成.標簽和讀寫器之間的通信效率主要依靠天線特性和信道特征［5］.因此，天線是整個RFID系統中的重要組成部分.

由于RFID芯片普遍呈現出電容性［6］，在RFID標簽天線的設計中就要使天線的阻抗呈現出電感性以實現天線與芯片之間阻抗的共軛匹配.也即是說，RFID標簽天線具有R＋j XΩ形式的阻抗特性.普通天線的特性參量通常使用矢網進行測試，連接矢網的同軸線探頭特性阻抗一般為50＋j0Ω，不能直接使用矢網實現對RFID標簽天線的參數測量，帶來了該類天線的測試難度同時也往往需要購置額外的儀器.本文提出一種專門針對RFID天線參量測試用的匹配網絡，該匹配網絡能實現在860～960 MHz范圍內根據不同RFID芯片匹配要求進行調節的功能，實現RFID天線與測試同軸探頭之間的匹配.使用本匹配網絡，利用矢網對實際RFID天線回波損耗（S11）進行測試，測試結果與理論和仿真結果比較一致.

1 標簽天線測試匹配網絡設計

1.1 RFID標簽天線阻抗特點

無源RFID標簽天線可以簡化為天線與標簽芯片的直接電連接，其中接口處的匹配尤為重要.RFID標簽天線及其戴維南等效電路［7］可用圖1表示［8-9］.

圖1 電子標簽天線匹配原理等效

如圖1所示，在無源RFID標簽天線的設計過程中，當RFID標簽芯片給定時，其等效阻抗ZL也隨之確定，此時負載芯片獲取的功率由下式計算為

從式（1）可以看到，只有當設計的天線與標簽芯片阻抗共軛匹配時，標簽芯片可從天線的感應電壓源中獲得最大功率.

1.2 標簽天線測試匹配網絡

正是由于RFID標簽天線的電感性復阻抗特性，使大多數使用同軸線端口的測試儀器不能直接對RFID天線進行測試，從而造成測試儀器的浪費（有的企業需要購買阻抗分析儀對RFID標簽進行測試）.如果借助象巴倫等輔助工具，其測試結果的準確性就依賴于巴倫的理想化程度［10］，具有對稱結構的RFID標簽也可以通過鏡像原理進行測試［11］，但該方法對非對稱結構天線無效.Meys等曾提出了一種利用雙端口矢網分析儀（Vector Network Analyzer）對RFID天線測試的方案［12］，該方案的校準過程比較復雜，且只針對對稱偶極子類的RFID天線.聯系到阻抗匹配網絡的特點，根據RFID標簽天線的阻抗特點和常用矢網測試接頭的特性阻抗，可以設計出元件可調的匹配網絡，實現在整個UHF射頻識別頻段兩者之間的阻抗匹配和對具有不同阻抗特性的RFID天線參數的測試目標.

1.3 匹配網絡設計

芯片阻抗一般呈現出電容性，RFID標簽天線的阻抗應該表現為電感性，具有R＋j XΩ的形式.通過Smith原圖來設計匹配電路，使標簽天線與矢網同軸探頭阻抗50＋j0Ω實現匹配.例如Impinj M4［13］芯片在915MHz處阻抗為12-j143Ω，使用該芯片的標簽天線其阻抗與芯片共軛匹配為12＋j143Ω，在915MHz使用Smith原圖設計的標簽天線與同軸探頭阻抗匹配電路如圖2（a）所示.為了能夠在整個UHF射頻識別頻段內（860～960MHz）實現標簽天線與同軸探頭之間的匹配，需要對圖2（a）匹配電路進行進一步優化設計.可以通過添加電容和電感元件實現，最后，采用的設計電路如圖2（b）所示.

在圖2（b）所示的匹配電路中采用可調電子元件，就可以滿足使用不同RFID芯片的標簽天線測試需要.為了說明方案的可行性，采用固定電容值，人工繞制、調試電感值的方式來實現，實際應用中可使用可調電容和可調電感.根據匹配電路計算出電感的圈數及大小，調節電感線圈的間距來調整電感大小.圖2（c）為最終實物圖.

假設一款基于Impinj M4芯片的RFID標簽天線，在整個UHF頻段范圍內（860～960MHz），使用圖2所示的匹配網絡可以實現標簽天線與矢網同軸接頭（50Ω）之間的良好阻抗匹配，匹配效果如圖3所示.

實際的RFID標簽天線阻抗取決于芯片阻抗值，使用不同的芯片就決定標簽天線具有不同的阻抗，因此，我們設計的阻抗匹配網絡必須能夠在一個很寬的阻抗實部和虛部范圍內進行調節，滿足不同標簽天線的測試.

固定該匹配網絡負載阻抗的虛部為143Ω，改變其負載阻抗實部，圖4給出了不同阻抗實部時該匹配網絡的匹配效果.在860～960MHz，該匹配網絡能夠實現阻抗實部在5～50Ω之間的匹配.

要保持該匹配網絡負載阻抗實部為15Ω不變，改變阻抗虛部大小.圖5為具有不同虛部阻抗的匹配效果.在860～960MHz，虛部阻抗在50～300Ω范圍內都能實現很好的匹配.

圖5 不同阻抗虛部匹配效果

從圖4和圖5可以看到：隨著標簽天線阻抗實部的增加，該匹配網絡能夠匹配的頻帶范圍將變寬；隨著天線虛部阻抗的增加，能夠實現匹配的頻帶越窄.可以得出這樣的結論：在整個UHF RFID頻段，本文設計的匹配網絡能夠實現阻抗實部5～50Ω，虛部小于300Ω的RFID標簽天線與矢網測試端口的阻抗匹配.

2 測試結果

用圖2所示的匹配網絡，利用R＆S ZVL矢量網絡分析儀對兩款諧振在915MHz附近且具有不同阻抗的標簽天線的回波損耗（S11）進行了測試.為了更好地說明使用該匹配網絡所得測試結果的準確性，我們自制了一根915MHz半波長單極子天線，如圖6（b）所示，根據天線理論，通過該半波長天線與標簽天線之間的諧振來確定標簽的諧振頻點.使用本文設計的匹配網絡和使用半波長天線對兩款待測標簽的測試結果與天線的仿真結果比較如圖7所示.

通過該半波長天線測得的天線a的諧振點在902MHz附近，與該天線仿真所得的909.2MHz比較吻合.利用本文設計的匹配網絡，使用矢網測試天線a所得的諧振點約為907.1MHz，如圖7（a）所示，使用該匹配網絡測試的結果具有較高精度.同樣地，使用該匹配網絡對標簽天線b測試所得的回波損耗和仿真結果（見文獻［14］）及使用自制半波長單極子天線與標簽諧振所得的回波損耗的結果比較如圖7（b）所示.

從圖7可以看出，本文設計的RFID矢網測試匹配網絡的測試結果具有良好的精確性.需要說明的是，天線a在915MHz的阻抗為17＋j145Ω［14］，天線b阻抗與Alien H3芯片［15］共軛匹配，也即是在915MHz的阻抗為27＋j201Ω.不同的標簽芯片，就會有不同的阻抗特性，例如高電容性的芯片就需要設計出高電感性的標簽天線，相應地可以通過調節本文設計的匹配網絡的電子元件，增加電感來實現矢網對具有高電感性阻抗的標簽天線的測試工作；相反，如果待測標簽天線為低電感性，只需要降低匹配網絡的電感即可完成測試.

圖7 匹配網絡和自制半波長天線對標簽的測試效果

3 結 論

本文設計了一種能夠將具有不同阻抗特性的UHF頻段RFID標簽天線的阻抗匹配到50歐姆的匹配網絡，使標簽天線特有的R＋jX形式的阻抗與同軸線端口之間實現阻抗匹配.該匹配網絡很好地解決了普通矢網不能測試標簽天線參數的問題，實驗結果驗證了該匹配網絡的測試精度.并且該匹配器還具有以下兩個特點：①簡單、經濟且實用（不需要借助于其他任何工具和儀器）；②具有很大的匹配范圍調節空間（860～960MHz之內，阻抗實部大于5Ω，虛部小于300Ω）.使用該匹配器對RFID標簽天線參數測試，將為相關行業節省不必要的儀器投入，同時也降低了測試難度.

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