用于無源UHF RFID標簽的可調匹配網絡優化設計

佐 磊，胡 靖，何怡剛,2，李 兵,2，尹柏強,2

（1.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.武漢大學 電氣工程學院，武漢 430072）

0 引言

無源超高頻（UHF）射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種低成本、遠距離、非接觸的自動識別技術，在能源、交通、物流等領域已取得廣泛應用[1]。標簽天線與芯片的阻抗匹配關系是制約RFID系統識別距離的重要因素[2]。但在實際應用中，受元器件選型、標簽幾何尺寸、制造工藝水平等條件制約，標簽天線與芯片阻抗經常不能實現共軛匹配，需要設計專門的阻抗匹配網絡以實現最優化的系統性能[3,4]。

迄今為止，已有諸多文獻對標簽天線與芯片阻抗匹配網絡的設計進行了研究。文獻[5]設計了用于RFID標簽天線測試的可調匹配網絡，但并未具體給出匹配網絡電感和電容的數值以及分布情況。文獻[6]設計了低成本的阻抗匹配網絡實現了標簽天線與負載阻抗的共軛匹配，實現了低成本但適用范圍不大。文獻[7]利用天線的寄生電感和調整反向散射的電容來實現電路匹配。文獻[8～10]主要是針對金屬標簽天線的設計來滿足與標簽芯片的匹配。

本文結合了閱讀器與標簽之間的能量傳輸規律以及匹配網絡的特性，在標簽天線與芯片間設計一個二端口級聯匹配網絡，不用對標簽天線進行復雜設計，適用范圍廣。對于不同阻抗的天線，比較其對匹配網絡元件參數和分布的影響，通過調節二端口匹配電路來選擇性能參數最優的匹配網絡。在超高頻標簽天線和芯片之間設計一個阻抗匹配網絡，能夠將不同阻抗的超高RFID標簽天線匹配到確定的芯片中，很好的解決了標簽因能量不夠而不能被識別的缺點。對于工程應用而言，本文設計的匹配網絡方法能快速找到最優匹配電路，并將匹配網絡整合到標簽的電路中，實現標簽的有效識別。

1 無源UHF RFID系統能量傳輸

1.1 無源UHF RFID系統鏈路模型

無源UHF RFID信號傳輸可以分為閱讀器到標簽的前向鏈路和標簽到閱讀器的反向鏈路。在前向鏈路中，閱讀器天線發射攜帶指令的連續波信號，標簽天線接受信號后通過整流電路激活標簽芯片，提供其工作電壓。反向鏈路中，標簽通過改變反向散射調制閱讀器天線發射的連續波信號，將標簽響應數據傳輸至閱讀器[11,12]。典型無源UHF RFID系統鏈路模型及標簽的等效電路如圖1所示。

圖1 無源UHF RFID系統示意圖

假定閱讀器天線的增益為Gr，標簽的天線增益為Gt，閱讀器對標簽發射的功率為Pr-t，閱讀器與標簽的距離記為d，則標簽天線接收到的功率Pt-rec為：

其中 為RFID工作頻率波長，閱讀器天線輻射電磁波到標簽天線處的功率密度Sr=Pr-tGr/（4πd2），標簽天線的有效面積Aet=Gtλ2/（4π）。如果定義了標簽工作所需的最小能量Pt-min，那么前向鏈路傳輸距離可以定義為：

定義反射系數ρ為：

其中Z*a=Ra- jXa，標簽芯片接收的功率Pc-rec為：

其中功率傳輸系數τ為：

設標簽芯片靈敏度閾值為Pth，當芯片接受的功率Pc-rec大于Pth時標簽被激活，開始工作，由式(4)、式(5)可得標簽芯片可讀取最大距離為：

反向鏈路中，標簽天線反向散射功率Pt-b為：

其中阻抗匹配因子K為：

閱讀器天線接收到標簽反射回的功率Pr-rec為：

如果定義了閱讀器端解調信號所需的最小信號能量Pr-min，則反向鏈路傳輸距離可以定義為：

1.2 標簽阻抗匹配關系分析

標簽的負載阻抗有三種典型狀態：ZL=Z*a為阻抗匹配狀態，此時Km=1、ρm=0，能量傳輸實現最大化；ZL=0為阻抗短路狀態，此時Ks=4R2a/（R2a+X2a），ρs=（-Ra+ jXa）/（Ra+jXa）；ZL=∞ 為阻抗開路狀態，此時K0=0、ρ0=1。其實標簽的負載阻抗是在匹配狀態和短路狀態之間進行狀態轉換[12]，從式(8)可以看出閱讀器天線接收的功率也隨之改變，從而完成信號的調制。如果標簽達不到匹配效果，則標簽反射回的功率Pr-rec就不能達到閱讀器工作所需的最小能量，從而使標簽無法被識別，降低了標簽的識別率。從式(9)中也可以看出反向鏈路的傳輸距離也與反射系數相關，標簽的阻抗匹配效果越好，反向鏈路的傳輸距離也就越長，在傳輸距離范圍內可讀取的標簽數量也就越多。

由式(6)可知，當確定射頻工作頻率、閱讀器發射功率、閱讀器天線增益以及標簽芯片靈敏度閾值Pth，標簽芯片可讀取最大距離只與標簽天線增益和標簽的匹配程度有關，這里設定在共軛匹配狀態下，RFID系統的歸化統一工作距離為3m，即當|ρ|=0時，dt-max=3m。當標簽天線增益變為原來的2倍時，讀取距離將增大為原來的1.414倍，標簽芯片讀取距離與反射系數絕對值關系如圖2所示。

圖2 反射系數與標簽芯片讀取距離的關系

目前UHF RFID系統的關鍵是標簽能否被閱讀器讀取以及閱讀器能否根據標簽反射回的信號做出相應的調制工作，因此在標簽天線與芯片之間引入匹配網絡可以降低反射系數的絕對值，增大功率傳輸系數τ和阻抗匹配因子K，增大系統識別距離。由式(7)可知反向鏈路的傳輸能量也將增大，閱讀器能有效讀取標簽傳輸過來的信息，實現標簽的有效識別。

2 標簽天線與阻抗的匹配網絡設計

2.1 標簽的工作原理分析

假設V，I分別是標簽的感應電壓和感應電流，標簽天線阻抗為Za=Ra+jXa，所呈現電感性；芯片負載阻抗為ZL=RL+jXL，所呈現電容性，標簽的等效電路如圖3所示。

圖3 標簽等效電路

2.2 阻抗匹配網絡理論推導

根據最大功率傳輸定理，如圖4將電路看作戴維南等效電路。

圖4 戴維南等效電路

由圖4可知電路中電流為：

電流的有效值為：

在這里我們計算芯片的有功功率為：

當電壓V一定時，標簽天線與芯片阻抗滿足Xa+XL=0，Ra=RL時標簽芯片可獲得最大功率，一般標簽的芯片阻抗值都是一定的，我們無法改變。當確定標簽的芯片和天線時，如果它們的阻抗沒有共軛匹配，我們就無法保證標簽的工作能量，此時在天線和芯片之間引入一個阻抗匹配網絡來實現它們的共軛匹配，芯片就可以獲得最大的有功功率來保證正常工作。當Ra=RL，Xa=-XL，即Za=Z*L時，提供給負載的功率最大，最大有功功率為：

當回路發生串聯諧振時，即ωL=1/ωC 回路產生的電流最大，已知品質因數Qc=1/ωRLCL，QL=ωLa/Ra，輸入芯片的電壓為[13,14]：

有效值為：

2.3 二端口級聯匹配網絡

天線的阻抗呈感性，芯片的阻抗呈容性，對此將天線與芯片中間的電路當作一個二端口網絡，本文設計兩個二端口網絡，分別連接標簽的天線和芯片，內部元件阻抗值可調，再通過將這兩個二端口連接，實現最好的阻抗匹配，兩個二端口連接方式有串聯，并聯，串-并聯，并-串聯，級聯5種方式。

本文采用的是二端口的級聯，級聯的信號傳輸應用十分廣泛，相對于其他連接方式級聯連接簡便，T參數計算簡單，可調性強。它是前一級二端口的輸出與后一級二端口的輸入相連，這種連接方式不會破壞端口電流條件，相對于串聯，并聯，串并聯的連接方式而言，級聯不用進行有效性校驗。級聯時一般采用T參數如圖5所示。

圖5 級聯的示意圖

設二端口網絡的T參數分別為Ta、Tb，復合后的二端口網絡T參數方程公式為：

由式(17)可以看出復合二端口級聯時的T參數等于相級聯的子二端口的T參數矩陣Ta和Tb的乘積為：

設計圖6、圖7所示的匹配電路，電感、電容元器件全部可調。其中Na、Nb分別是連接標簽天線和芯片的二端口網絡，采用級聯方式使其構成匹配網絡。

圖6 匹配電路一

圖7 匹配電路二

3 仿真實驗結果及分析

本文以Impinj公司的Monza5芯片為例，利用ADS軟件進行仿真實驗。Monza5為UHF芯片，工作頻率范圍為860MHz～960MHz，在典型工作頻率920MHz時的阻抗為14-j160Ω。本文選取標簽天線阻抗實部在5～80Ω，虛部在50～400Ω之間變換。由于標簽天線阻抗數值大小決定了匹配網絡的電路結構和分布參數[5,13]，本文選取4個典型的天線輸入阻抗進行仿真實驗。

3.1 天線阻抗為5+j50Ω

選取的標簽天線輸入阻抗為5+j50Ω，通過ADS仿真軟件使其與阻抗為14-j160Ω的芯片進行阻抗網絡匹配。具體的匹配網絡有5種選擇，其中圖8(a)是針對低成本阻抗匹配，在這里主要是為了方便與其他匹配網絡進行對比，匹配電路如圖8所示。

圖8 天線阻抗為5+j50Ω的阻抗匹配網絡設計圖

一般的反射系數絕對值越小越好，對應的dB值越小越好。在這里我們選擇圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)、圖8(e)進行Smith圓圖的比較，圖9(a)～圖9(d)分別對應圖8(b)～圖8(e)的匹配電路，通過Smith圓圖實現共軛匹配的效果。

圖9 標簽天線芯片共軛匹配Smith圓圖

把參數電路整合到Smith圓圖中可以更加準確簡明展現電路特性[15]，當復阻抗串聯電感時，將導致負載沿著等電阻圓順時針移動；串聯電容時，負載沿著等電阻圓逆時針移動；復阻抗并聯電感時，將導致負載沿著等電導圓逆時針移動；并聯電容時，負載沿著等電導圓順時針移動。在這里我們具體介紹圖9(a)：點1位置為標簽芯片的阻抗值為14-j160Ω，串聯13.3nH的電感后到達點2，在并聯1.4pF的電容后到達點3，此時點3對應的阻抗值為5-j50Ω，與標簽天線正好達到共軛匹配的效果。

對圖8的5種匹配電路進行仿真，仿真結果如圖10所示。

圖10 天線阻抗為5+j50Ω的匹配網絡仿真效果

由圖10仿真結果可以看出dB(S(3,3))效果最好，即對應的是圖8(b)的匹配網絡，采用串電感并電容的方式實現匹配網絡的最優化。用圖7的可調電路二：開關K3、K4閉合使C1、C3短路，K2斷開使L2斷路，K1閉合接通C2，C2調為1.4pF，L1調為0，L3調為13.3nH。這樣就可實現最優的匹配網絡，從圖(10)的仿真結果可以看出回波損耗的值能達-49dB，保證了芯片的工作能量。圖8(a)所示的電路作為比較電路，雖然結構簡單易調，但是其匹配后反射系數絕對值偏大，dB值無法達到工作要求。

3.2 天線阻抗為5+j200Ω

選取輸入阻抗為5+j200Ω的天線，通過ADS仿真，可選用的匹配電路如圖11所示，其中圖11(a)是比較電路。

圖11 天線阻抗為5+j200Ω的阻抗匹配網絡設計

對圖11的5種匹配電路進行仿真，仿真結果如圖12所示。

由仿真結果可以看出圖11(b)對應的dB(S(3,3))仿真效果最好，匹配電路采用串電容并電容的方式實現匹配網絡的最優化。(1)可直接選用圖6匹配電路一，開關K1、K4斷開，K2、K3閉合，電感L1、L3取0，電容C2取348fF，C3取992fF；(2)選擇圖7匹配電路二，開關K1、K3閉合，K2、K4斷開，電感L1、L3取0，電容C2取348fF，C3取992fF?；夭〒p耗值最小值可以達到-70dB，實現共軛匹配的理想效果。比較電路圖11(a)其dB(S(1,1))仿真結果較差不滿足實際的標簽工作要求。這樣的電路選取可實現天線實部較小，虛部較大的情況。

圖12 天線阻抗為5+j200Ω的匹配網絡仿真效果

3.3 天線阻抗為20+j100Ω

選取輸入阻抗為20+j100Ω的天線，可選擇的匹配網絡如圖13所示，其中圖13(a)是比較電路。

圖13 天線阻抗為20+j100Ω的阻抗匹配網絡設計

對圖13的5種匹配電路進行仿真，仿真結果如圖14所示。

圖14 天線阻抗為20+j100Ω的匹配網絡仿真效果

由仿真結果可以看出圖13(b)對應的dB(S(3,3))的效果較好，匹配網絡采用的是并電感串電感的形式。1）選用圖6匹配電路一，K1、K3、K4閉合，K2斷開，電感L1取16nH，電感L2取169nH，L3取0值；2）選用圖7匹配電路二，開關K2、K3、K4閉合，K1斷開，L1取16nH，L2取169nH。回波損耗值最小值可以達到-49dB，滿足共軛匹配要求。

3.4 天線阻抗為50+j300Ω

選取天線輸入阻抗為50+j300Ω的天線，可選擇的匹配電路如圖15所示，其中圖15(a)是比較電路。

圖15 天線阻抗為50+j300Ω的阻抗匹配網絡設計

對圖15的5種匹配電路進行仿真，仿真結果如圖16所示。

圖16 天線阻抗為50+j300Ω的匹配網絡仿真效果

通過仿真結果可以看出dB(S(1,1)、dB(S(3,3)、dB(S(5,5))的阻抗匹配參數性能相近且效果較好，分別對應的電路圖15(a)、圖15(b)、圖15(c)，圖15(a)雖然是比較電路，但是我們可以看出其匹配效果不遜于其它電路，而且電路結構簡單低成本，在此直接選用圖15(a)的匹配電路。 在天線輸入阻抗50+j300Ω時，采用的是串電容并電感的形式，調節匹配電路一、匹配電路二都可實現。對于阻抗為14-j160Ω的芯片可以直接采取并聯59nH電感的成本匹配網絡，即滿足了反射系數參數要求，也實現了低成本的電路設計。

仿真結果表明當天線輸入阻抗繼續增大時，對于Monza5芯片，低成本的匹配網絡設計基本滿足能量傳輸要求，即在標簽天線與芯片之間并聯電感，在這里不作過多說明。

4 實物測試

圖17 二端口級聯可調匹配網絡電路模型

圖17是依據匹配電路二設計的電路模型，選定標簽中心頻率的理論值在920MHz。在實際電路連接時所接入的元件參數與理論值會有一定誤差，不能保證完全達到共軛匹配狀態，所以實驗結果與仿真結果相比沒有達到理想效果，但是信號接收情況驗證了設計的可行性（所用儀器為上海聚星有限公司生產的射頻識別系統VISN-R1200）。本文設計的匹配網絡方法能快速找到最優匹配電路，在工程實際應用中將最優匹配電路元件整合到標簽的電路中可滿足應用條件。

圖18 標簽性能測試場景

表1是本文設計的二端口級聯匹配網絡與其它文獻的匹配網絡的性能對比。本文設計的匹配電路可針對不同輸入阻抗的標簽天線，匹配網絡內部可調，通過ADS仿真可找到最合適的電路及參數，基本達到共軛匹配的效果，反射系數最高可達-70dB，相比其他匹配網絡設計性能較好。

5 結論

本文結合標簽鏈路模型和二端口網絡分析方法，探究得到在標簽天線與芯片之間引入匹配網絡可以增大傳輸能量，降低反射系數的絕對值。在此提出了級聯思想，在標簽天線和芯片之間都采用一個二端口網絡，通過級聯方法使其連接，對于確定的芯片，可以通過該方法在一個較大范圍內選取不同阻抗天線來實現與其共軛匹配，并且通過調節匹配網絡找到最合適的匹配電路，不用擔心復合二端口網絡的端口條件因連接而失效，二端口的內部電路可以根據具體的情況改變。具體的匹配網絡方式有串電感并電容、串電容并電容、并電感串電感和并電感串電容四種方式，通過ADS仿真對多個匹配電路進行比較，選出最優的匹配網絡實現能量的最大化傳輸，回波損耗的最小值都小于-45dB，相對于其他的匹配方式實現了優化設計。其中當匹配參數滿足條件時，我們使用簡單的低成本的匹配電路。本文設計的二端口級聯匹配電路只適用于阻抗在一定范圍內的標簽天線，下一步研究標簽天線其阻抗實部與虛部的大小比例關系對匹配網絡的影響，進一步提出優化匹配電路的設計，提高系統性能參數。

表1 二端口級聯匹配網絡性能對比