自适应天线匹配低频RFID读写器设计

　　近年来，无线射频识别RFID技术得到了迅速发展，已被广泛应用于工业生产、商业和交通运输等众多领域[1-3]。在工业现场、野外、甚至水中，这些环境下温度、湿度变化剧烈，特别是在石油工程领域，RFID的读写器需要工作在周围都是金属、温度变化剧烈、甚至需要工作在充满钻井液的油井井筒里面[4-7]，对RFID读写器的天线电特性参数和阻抗匹配带来困难。由于阻抗的易变性，导致一个固定的阻抗匹配网络难以满足实现良好的阻抗匹配，从而恶化无线传输的性能，最终将导致读写器发射功率不必要的损耗和识别能力的下降。因此有必要提出天线阻抗的自适应匹配来实时补偿天线阻抗的变化，实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。

　　对于读写器天线阻抗的匹配，研究已经转向自动匹配方面，并有了比较成功的案例。一般来说，阻抗失配信息通过检测反射系数、电压驻波比或节点阻抗来获取[8-9]。本文通过切换电容网络、扫描解调点电压来获取天线发射最大幅度，获取最佳匹配电容和实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。

　　1 自适应天线匹配低频RFID读写器架构

　　完整的低频RFID系统包括电子标签、读写器以及远端数据处理计算机三部分[10]，其工作原理如图1所示。电子标签也就是RFID射频卡，具有智能读写及加密通信的能力。电子标签包含天线、匹配网络、充电模块、传输算法模块、存储模块等。低频读写器由天线、无线匹配模块、读写器芯片和微处理器组成，通过调制的射频信号向标签发出请求信号，标签回答识别信息，然后读写器把信号送到计算机或者其他数据处理设备。

　　自适应天线匹配低频RFID读写器系统在基本的低频RFID读写器系统的基础上进行了功能扩展，该系统主要由微处理器模块、功率放大、自适应电容匹配网络、低噪声放大、正弦波均方根检测、模数转换器、天线以及相应的处理程序和算法组成，如图2所示。该系统比基本的低频RFID读写器系统多了3个模块: 自适应电容匹配网络、正弦波均方根检测和模/数转换器。其中正弦波均方根检测和模/数转换器是为了检测天线发射信号的幅度，并转换成数字量存储到微处理器;自适应电容匹配网络是用来调节射频前端电路阻抗与天线阻抗的匹配效率。

　　2 解调点电压采集

　　解调点电压采集电路的主要任务是实现天线发射信号的正弦波均方根检测和模/数转换，在电路设计上充分运用高度集成专用集成电路，仅需要较少的电阻、电容等外围器件就可以完成相应功能，使采集电路小型化并尽量降低电路的功耗。完整的采集电路如图3所示。

　　AD736是一款低功耗、精密、单芯片真正弦波均方根检测电路。能够直接将正弦波转换为直流输出，直流电压就是该正弦波的均方根值Vrms，该正弦波的幅度Va可以由式(1)表示：

　　该芯片采用正弦波输入时最大误差为±0.3 mV。另外，它能以高精度测量广泛的输入波形，包括可变占空比脉冲和三端双向可控硅(相位)控制的正弦波。因此当天线上发射信号存在畸变，变成三角波等含有高次谐波的信号时，一样可以检测出其幅度。该芯片可以计算交流和直流输入电压的均方根值，因此当检测信号存在直流分量时，该芯片也可以检测出相应的幅度。此外在设计时，增加了一个外部电容，它作为交流耦合器件工作。这种模式下，即使存在温度或电源电压波动，AD736也能分辨均方根值100 μV或更低的输入信号电平。对于波峰因数为1～3的输入波形，也同样能保持高精度。

　　模/数转换电路采用ADS1113，该芯片具有16位分辨率的高精度模/数转换器(ADC)，采用超小型的MSOP-10封装。ADS1113在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性。ADS1113具有一个板上基准和振荡器。数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输。

　　3 自适应匹配电容网络

　　天线匹配电路如图4所示，通过计算阻抗匹配计算相应的电阻和电容值，可以实现长距离的天线匹配和各类天线布局要求。将图5中电容矩阵代替图4中C4、C5构成可调节天线匹配网络。由于天线电感值的变化在一定的范围，不可能从0到无限大，因此可以根据实验初步确定最大电感为Lmax，由此可以在电容矩阵连接一个不需要断开的电容C_M，其他的电容可以通过微处理器输出控制信号D1、D2…D8控制MOS开关来确定是否连接该电容到天线匹配网络。MOS开关比普通的继电器开关体积小、成本低。但是在开关断开期间，开关引脚之间、信号引脚与地之间都存在一定的寄生电容。这些寄生电容使得电容矩阵的调节范围产生变化，因此在设计电容矩阵式时需要将这些寄生电容也考虑进去。电容矩阵中每个电容值的确定可以采用二进制累进方法，即C_D1的容值为C，C_D1的容值为2C，C_D3的容值为4C，以此类推，C_D8为128C，总共可以构成256种可配置的电容值组合。在实际工作中通过扫描所有的256种组合，选择其中最佳的组合作为匹配网络，以达到最佳发射效率。

　　4 自适应匹配方法与软件设计

　　自适应天线匹配低频RFID读写器系统软件设计的流程图如图6所示。为了保证正弦波均方根检测电路和后续的模拟/数字转换器电路有足够的稳定和转换时间,确保采集的天线发射信号的幅度准确稳定，在读取过程中需要加入多个延时。程序中需要设置专门寄存数组用于存储读采集的256组发射信号幅度，在读取完成全部256组数据以后，再将256组数遍历一遍，找出其中最大的一组。根据最大的一组所对应的位置，设置相应的电容矩阵，获取最佳匹配电容和实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。通过使用微处理器MSP430提供的在线可编程功能，直接通过USB-JTAG转接模块，在计算机上调试仿真并下载微处理器。本系统采用高级语言C51编程，程序的可读性和可移植性较好，并兼顾程序的编译效率。此外，还可以通过笔记本计算机直接在现场修改程序，对功能和参数进行现场调整，这种方式给工业仪器仪表中参数修正和软件升级带来了极大方便。

　　5 实验分析

　　实验分析分为两部分。第一部分实验：选取10种天线，这10种天线的电感依次为300 μH、400 μH、…1 200 μH。依次连接在自适应天线匹配低频RFID读写器系统上，启动自适应程序，系统成功配置电容网络，配置的电容网络等效电容值和谐振频率如表1所示。从表1可以看出，自适应匹配后的网络的谐振频率基本都在134 kHz左右(偏差不超过0.5%)，即低频RFID系统工作的频率，也就获得到最大的发射功率。

　　第二部分实验：将完整的自适应天线匹配低频RFID读写器和普通的低频RFID读写器分别放置在水中，此时读写器的天线电感将发生变化，普通的低频RFID读写器的读写距离明显减少，而自适应天线匹配低频RFID读写器的读写距离仍可以保持原来的水平。

　　本文设计了一种自适应天线匹配低频RFID读写器，该读写器集成了发射幅度检测电路和匹配电容矩阵以及相应 的扫描和设置软件。通过实验测试，该系统运行良好，大体实现了不同电感天线的发射匹配要求，比普通读写器更能适应水中工作。该设计方法还有进一步的改进空间，例如根据更多环境下的实验了解天线电感变化的范围，优化电容矩阵结构，提高匹配效率。该技术还可以移植到高频和超高频RFID系统中。