用于無源UHF RFID標(biāo)簽的可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

佐 磊，胡 靖，何怡剛,2，李 兵,2，尹柏強(qiáng),2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)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(yuǎn)距離、非接觸的自動識別技術(shù)，在能源、交通、物流等領(lǐng)域已取得廣泛應(yīng)用[1]。標(biāo)簽天線與芯片的阻抗匹配關(guān)系是制約RFID系統(tǒng)識別距離的重要因素[2]。但在實(shí)際應(yīng)用中，受元器件選型、標(biāo)簽幾何尺寸、制造工藝水平等條件制約，標(biāo)簽天線與芯片阻抗經(jīng)常不能實(shí)現(xiàn)共軛匹配，需要設(shè)計(jì)專門的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的系統(tǒng)性能[3,4]。

迄今為止，已有諸多文獻(xiàn)對標(biāo)簽天線與芯片阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了用于RFID標(biāo)簽天線測試的可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，但并未具體給出匹配網(wǎng)絡(luò)電感和電容的數(shù)值以及分布情況。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了低成本的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽天線與負(fù)載阻抗的共軛匹配，實(shí)現(xiàn)了低成本但適用范圍不大。文獻(xiàn)[7]利用天線的寄生電感和調(diào)整反向散射的電容來實(shí)現(xiàn)電路匹配。文獻(xiàn)[8～10]主要是針對金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)來滿足與標(biāo)簽芯片的匹配。

本文結(jié)合了閱讀器與標(biāo)簽之間的能量傳輸規(guī)律以及匹配網(wǎng)絡(luò)的特性，在標(biāo)簽天線與芯片間設(shè)計(jì)一個二端口級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)，不用對標(biāo)簽天線進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計(jì)，適用范圍廣。對于不同阻抗的天線，比較其對匹配網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)和分布的影響，通過調(diào)節(jié)二端口匹配電路來選擇性能參數(shù)最優(yōu)的匹配網(wǎng)絡(luò)。在超高頻標(biāo)簽天線和芯片之間設(shè)計(jì)一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⒉煌杩沟某逺FID標(biāo)簽天線匹配到確定的芯片中，很好的解決了標(biāo)簽因能量不夠而不能被識別的缺點(diǎn)。對于工程應(yīng)用而言，本文設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)方法能快速找到最優(yōu)匹配電路，并將匹配網(wǎng)絡(luò)整合到標(biāo)簽的電路中，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的有效識別。

1 無源UHF RFID系統(tǒng)能量傳輸

1.1 無源UHF RFID系統(tǒng)鏈路模型

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

圖1 無源UHF RFID系統(tǒng)示意圖

假定閱讀器天線的增益為Gr，標(biāo)簽的天線增益為Gt，閱讀器對標(biāo)簽發(fā)射的功率為Pr-t，閱讀器與標(biāo)簽的距離記為d，則標(biāo)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(biāo)簽天線處的功率密度Sr=Pr-tGr/（4πd2），標(biāo)簽天線的有效面積Aet=Gtλ2/（4π）。如果定義了標(biāo)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(shù)ρ為：

其中Z*a=Ra- jXa，標(biāo)簽芯片接收的功率Pc-rec為：

其中功率傳輸系數(shù)τ為：

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

反向鏈路中，標(biāo)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(biāo)簽反射回的功率Pr-rec為：

如果定義了閱讀器端解調(diào)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(biāo)簽阻抗匹配關(guān)系分析

標(biāo)簽的負(fù)載阻抗有三種典型狀態(tài)：ZL=Z*a為阻抗匹配狀態(tài)，此時Km=1、ρm=0，能量傳輸實(shí)現(xiàn)最大化；ZL=0為阻抗短路狀態(tài)，此時Ks=4R2a/（R2a+X2a），ρs=（-Ra+ jXa）/（Ra+jXa）；ZL=∞ 為阻抗開路狀態(tài)，此時K0=0、ρ0=1。其實(shí)標(biāo)簽的負(fù)載阻抗是在匹配狀態(tài)和短路狀態(tài)之間進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)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(diào)制。如果標(biāo)簽達(dá)不到匹配效果，則標(biāo)簽反射回的功率Pr-rec就不能達(dá)到閱讀器工作所需的最小能量，從而使標(biāo)簽無法被識別，降低了標(biāo)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(shù)相關(guān)，標(biāo)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(nèi)可讀取的標(biāo)簽數(shù)量也就越多。

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

圖2 反射系數(shù)與標(biāo)簽芯片讀取距離的關(guān)系

目前UHF RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵是標(biāo)簽?zāi)芊癖婚喿x器讀取以及閱讀器能否根據(jù)標(biāo)簽反射回的信號做出相應(yīng)的調(diào)制工作，因此在標(biāo)簽天線與芯片之間引入匹配網(wǎng)絡(luò)可以降低反射系數(shù)的絕對值，增大功率傳輸系數(shù)τ和阻抗匹配因子K，增大系統(tǒng)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(biāo)簽傳輸過來的信息，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的有效識別。

2 標(biāo)簽天線與阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)簽的工作原理分析

假設(shè)V，I分別是標(biāo)簽的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，標(biāo)簽天線阻抗為Za=Ra+jXa，所呈現(xiàn)電感性；芯片負(fù)載阻抗為ZL=RL+jXL，所呈現(xiàn)電容性，標(biāo)簽的等效電路如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽等效電路

2.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)理論推導(dǎo)

根據(jù)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(jì)算芯片的有功功率為：

當(dāng)電壓V一定時，標(biāo)簽天線與芯片阻抗?jié)M足Xa+XL=0，Ra=RL時標(biāo)簽芯片可獲得最大功率，一般標(biāo)簽的芯片阻抗值都是一定的，我們無法改變。當(dāng)確定標(biāo)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(biāo)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(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)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(dāng)Ra=RL，Xa=-XL，即Za=Z*L時，提供給負(fù)載的功率最大，最大有功功率為：

當(dāng)回路發(fā)生串聯(lián)諧振時，即ωL=1/ωC 回路產(chǎn)生的電流最大，已知品質(zhì)因數(shù)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(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)

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(dāng)作一個二端口網(wǎng)絡(luò)，本文設(shè)計(jì)兩個二端口網(wǎng)絡(luò)，分別連接標(biāo)簽的天線和芯片，內(nèi)部元件阻抗值可調(diào)，再通過將這兩個二端口連接，實(shí)現(xiàn)最好的阻抗匹配，兩個二端口連接方式有串聯(lián)，并聯(lián)，串-并聯(lián)，并-串聯(lián)，級聯(lián)5種方式。

本文采用的是二端口的級聯(lián)，級聯(lián)的信號傳輸應(yīng)用十分廣泛，相對于其他連接方式級聯(lián)連接簡便，T參數(shù)計(jì)算簡單，可調(diào)性強(qiáng)。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(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)的連接方式而言，級聯(lián)不用進(jìn)行有效性校驗(yàn)。級聯(lián)時一般采用T參數(shù)如圖5所示。

圖5 級聯(lián)的示意圖

設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)的T參數(shù)分別為Ta、Tb，復(fù)合后的二端口網(wǎng)絡(luò)T參數(shù)方程公式為：

由式(17)可以看出復(fù)合二端口級聯(lián)時的T參數(shù)等于相級聯(lián)的子二端口的T參數(shù)矩陣Ta和Tb的乘積為：

設(shè)計(jì)圖6、圖7所示的匹配電路，電感、電容元器件全部可調(diào)。其中Na、Nb分別是連接標(biāo)簽天線和芯片的二端口網(wǎng)絡(luò)，采用級聯(lián)方式使其構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖6 匹配電路一

圖7 匹配電路二

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文以Impinj公司的Monza5芯片為例，利用ADS軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。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(biāo)簽天線阻抗實(shí)部在5～80Ω，虛部在50～400Ω之間變換。由于標(biāo)簽天線阻抗數(shù)值大小決定了匹配網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和分布參數(shù)[5,13]，本文選取4個典型的天線輸入阻抗進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 天線阻抗為5+j50Ω

選取的標(biāo)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(jìn)行阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配。具體的匹配網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖

一般的反射系數(shù)絕對值越小越好，對應(yīng)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(jìn)行Smith圓圖的比較，圖9(a)～圖9(d)分別對應(yīng)圖8(b)～圖8(e)的匹配電路，通過Smith圓圖實(shí)現(xiàn)共軛匹配的效果。

圖9 標(biāo)簽天線芯片共軛匹配Smith圓圖

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

對圖8的5種匹配電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 天線阻抗為5+j50Ω的匹配網(wǎng)絡(luò)仿真效果

由圖10仿真結(jié)果可以看出dB(S(3,3))效果最好，即對應(yīng)的是圖8(b)的匹配網(wǎng)絡(luò)，采用串電感并電容的方式實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。用圖7的可調(diào)電路二：開關(guān)K3、K4閉合使C1、C3短路，K2斷開使L2斷路，K1閉合接通C2，C2調(diào)為1.4pF，L1調(diào)為0，L3調(diào)為13.3nH。這樣就可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的匹配網(wǎng)絡(luò)，從圖(10)的仿真結(jié)果可以看出回波損耗的值能達(dá)-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(jié)構(gòu)簡單易調(diào)，但是其匹配后反射系數(shù)絕對值偏大，dB值無法達(dá)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對圖11的5種匹配電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖12所示。

由仿真結(jié)果可以看出圖11(b)對應(yīng)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(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。(1)可直接選用圖6匹配電路一，開關(guān)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(guān)K1、K3閉合，K2、K4斷開，電感L1、L3取0，電容C2取348fF，C3取992fF。回波損耗值最小值可以達(dá)到-70dB，實(shí)現(xiàn)共軛匹配的理想效果。比較電路圖11(a)其dB(S(1,1))仿真結(jié)果較差不滿足實(shí)際的標(biāo)簽工作要求。這樣的電路選取可實(shí)現(xiàn)天線實(shí)部較小，虛部較大的情況。

圖12 天線阻抗為5+j200Ω的匹配網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對圖13的5種匹配電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 天線阻抗為20+j100Ω的匹配網(wǎng)絡(luò)仿真效果

由仿真結(jié)果可以看出圖13(b)對應(yīng)的dB(S(3,3))的效果較好，匹配網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(dá)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對圖15的5種匹配電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖16所示。

圖16 天線阻抗為50+j300Ω的匹配網(wǎng)絡(luò)仿真效果

通過仿真結(jié)果可以看出dB(S(1,1)、dB(S(3,3)、dB(S(5,5))的阻抗匹配參數(shù)性能相近且效果較好，分別對應(yīng)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)匹配電路一、匹配電路二都可實(shí)現(xiàn)。對于阻抗為14-j160Ω的芯片可以直接采取并聯(lián)59nH電感的成本匹配網(wǎng)絡(luò)，即滿足了反射系數(shù)參數(shù)要求，也實(shí)現(xiàn)了低成本的電路設(shè)計(jì)。

仿真結(jié)果表明當(dāng)天線輸入阻抗繼續(xù)增大時，對于Monza5芯片，低成本的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)基本滿足能量傳輸要求，即在標(biāo)簽天線與芯片之間并聯(lián)電感，在這里不作過多說明。

4 實(shí)物測試

圖17 二端口級聯(lián)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)電路模型

圖17是依據(jù)匹配電路二設(shè)計(jì)的電路模型，選定標(biāo)簽中心頻率的理論值在920MHz。在實(shí)際電路連接時所接入的元件參數(shù)與理論值會有一定誤差，不能保證完全達(dá)到共軛匹配狀態(tài)，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相比沒有達(dá)到理想效果，但是信號接收情況驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性（所用儀器為上海聚星有限公司生產(chǎn)的射頻識別系統(tǒng)VISN-R1200）。本文設(shè)計(jì)的匹配網(wǎng)絡(luò)方法能快速找到最優(yōu)匹配電路，在工程實(shí)際應(yīng)用中將最優(yōu)匹配電路元件整合到標(biāo)簽的電路中可滿足應(yīng)用條件。

圖18 標(biāo)簽性能測試場景

表1是本文設(shè)計(jì)的二端口級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)與其它文獻(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)的性能對比。本文設(shè)計(jì)的匹配電路可針對不同輸入阻抗的標(biāo)簽天線，匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可調(diào)，通過ADS仿真可找到最合適的電路及參數(shù)，基本達(dá)到共軛匹配的效果，反射系數(shù)最高可達(dá)-70dB，相比其他匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)性能較好。

5 結(jié)論

本文結(jié)合標(biāo)簽鏈路模型和二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法，探究得到在標(biāo)簽天線與芯片之間引入匹配網(wǎng)絡(luò)可以增大傳輸能量，降低反射系數(shù)的絕對值。在此提出了級聯(lián)思想，在標(biāo)簽天線和芯片之間都采用一個二端口網(wǎng)絡(luò)，通過級聯(lián)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(nèi)選取不同阻抗天線來實(shí)現(xiàn)與其共軛匹配，并且通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)找到最合適的匹配電路，不用擔(dān)心復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)的端口條件因連接而失效，二端口的內(nèi)部電路可以根據(jù)具體的情況改變。具體的匹配網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行比較，選出最優(yōu)的匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中當(dāng)匹配參數(shù)滿足條件時，我們使用簡單的低成本的匹配電路。本文設(shè)計(jì)的二端口級聯(lián)匹配電路只適用于阻抗在一定范圍內(nèi)的標(biāo)簽天線，下一步研究標(biāo)簽天線其阻抗實(shí)部與虛部的大小比例關(guān)系對匹配網(wǎng)絡(luò)的影響，進(jìn)一步提出優(yōu)化匹配電路的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)性能參數(shù)。

表1 二端口級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)性能對比