近年來，無線射頻識別RFID技術得到了迅速發(fā)展，已被廣泛應用于工業(yè)生產、商業(yè)和交通運輸等眾多領域^[1-3]。在工業(yè)現場、野外、甚至水中，這些環(huán)境下溫度、濕度變化劇烈，特別是在石油工程領域，RFID的讀寫器需要工作在周圍都是金屬、溫度變化劇烈、甚至需要工作在充滿鉆井液的油井井筒里面^[4-7]，對RFID讀寫器的天線電特性參數和阻抗匹配帶來困難。由于阻抗的易變性，導致一個固定的阻抗匹配網絡難以滿足實現良好的阻抗匹配，從而惡化無線傳輸的性能，最終將導致讀寫器發(fā)射功率不必要的損耗和識別能力的下降。因此有必要提出天線阻抗的自適應匹配來實時補償天線阻抗的變化，實現射頻前端電路阻抗與天線阻抗的自動匹配。

    對于讀寫器天線阻抗的匹配，研究已經轉向自動匹配方面，并有了比較成功的案例。一般來說，阻抗失配信息通過檢測反射系數、電壓駐波比或節(jié)點阻抗來獲取^[8-9]。本文通過切換電容網絡、掃描解調點電壓來獲取天線發(fā)射最大幅度，獲取最佳匹配電容和實現射頻前端電路阻抗與天線阻抗的自動匹配。

1 自適應天線匹配低頻RFID讀寫器架構

    完整的低頻RFID系統(tǒng)包括電子標簽、讀寫器以及遠端數據處理計算機三部分^[10]，其工作原理如圖1所示。電子標簽也就是RFID射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的能力。電子標簽包含天線、匹配網絡、充電模塊、傳輸算法模塊、存儲模塊等。低頻讀寫器由天線、無線匹配模塊、讀寫器芯片和微處理器組成，通過調制的射頻信號向標簽發(fā)出請求信號，標簽回答識別信息，然后讀寫器把信號送到計算機或者其他數據處理設備。

    自適應天線匹配低頻RFID讀寫器系統(tǒng)在基本的低頻RFID讀寫器系統(tǒng)的基礎上進行了功能擴展，該系統(tǒng)主要由微處理器模塊、功率放大、自適應電容匹配網絡、低噪聲放大、正弦波均方根檢測、模數轉換器、天線以及相應的處理程序和算法組成，如圖2所示。該系統(tǒng)比基本的低頻RFID讀寫器系統(tǒng)多了3個模塊: 自適應電容匹配網絡、正弦波均方根檢測和模/數轉換器。其中正弦波均方根檢測和模/數轉換器是為了檢測天線發(fā)射信號的幅度，并轉換成數字量存儲到微處理器；自適應電容匹配網絡是用來調節(jié)射頻前端電路阻抗與天線阻抗的匹配效率。

2 解調點電壓采集

    解調點電壓采集電路的主要任務是實現天線發(fā)射信號的正弦波均方根檢測和模/數轉換，在電路設計上充分運用高度集成專用集成電路，僅需要較少的電阻、電容等外圍器件就可以完成相應功能，使采集電路小型化并盡量降低電路的功耗。完整的采集電路如圖3所示。

    AD736是一款低功耗、精密、單芯片真正弦波均方根檢測電路。能夠直接將正弦波轉換為直流輸出，直流電壓就是該正弦波的均方根值V_rms，該正弦波的幅度Va可以由式（1）表示：

    該芯片采用正弦波輸入時最大誤差為±0.3 mV。另外，它能以高精度測量廣泛的輸入波形，包括可變占空比脈沖和三端雙向可控硅（相位）控制的正弦波。因此當天線上發(fā)射信號存在畸變，變成三角波等含有高次諧波的信號時，一樣可以檢測出其幅度。該芯片可以計算交流和直流輸入電壓的均方根值，因此當檢測信號存在直流分量時，該芯片也可以檢測出相應的幅度。此外在設計時，增加了一個外部電容，它作為交流耦合器件工作。這種模式下，即使存在溫度或電源電壓波動，AD736也能分辨均方根值100 μV或更低的輸入信號電平。對于波峰因數為1～3的輸入波形，也同樣能保持高精度。

    模/數轉換電路采用ADS1113，該芯片具有16位分辨率的高精度模/數轉換器(ADC)，采用超小型的MSOP-10封裝。ADS1113在設計時考慮到了精度、功耗和實現的簡易性。ADS1113具有一個板上基準和振蕩器。數據通過一個I2C兼容型串行接口進行傳輸。

3 自適應匹配電容網絡

    天線匹配電路如圖4所示，通過計算阻抗匹配計算相應的電阻和電容值，可以實現長距離的天線匹配和各類天線布局要求。將圖5中電容矩陣代替圖4中C4、C5構成可調節(jié)天線匹配網絡。由于天線電感值的變化在一定的范圍，不可能從0到無限大，因此可以根據實驗初步確定最大電感為L_max，由此可以在電容矩陣連接一個不需要斷開的電容C_M，其他的電容可以通過微處理器輸出控制信號D1、D2…D8控制MOS開關來確定是否連接該電容到天線匹配網絡。MOS開關比普通的繼電器開關體積小、成本低。但是在開關斷開期間，開關引腳之間、信號引腳與地之間都存在一定的寄生電容。這些寄生電容使得電容矩陣的調節(jié)范圍產生變化，因此在設計電容矩陣式時需要將這些寄生電容也考慮進去。電容矩陣中每個電容值的確定可以采用二進制累進方法，即C_D1的容值為C，C_D1的容值為2C，C_D3的容值為4C，以此類推，C_D8為128C，總共可以構成256種可配置的電容值組合。在實際工作中通過掃描所有的256種組合，選擇其中最佳的組合作為匹配網絡，以達到最佳發(fā)射效率。

4 自適應匹配方法與軟件設計

    自適應天線匹配低頻RFID讀寫器系統(tǒng)軟件設計的流程圖如圖6所示。為了保證正弦波均方根檢測電路和后續(xù)的模擬/數字轉換器電路有足夠的穩(wěn)定和轉換時間,確保采集的天線發(fā)射信號的幅度準確穩(wěn)定，在讀取過程中需要加入多個延時。程序中需要設置專門寄存數組用于存儲讀采集的256組發(fā)射信號幅度，在讀取完成全部256組數據以后，再將256組數遍歷一遍，找出其中最大的一組。根據最大的一組所對應的位置，設置相應的電容矩陣，獲取最佳匹配電容和實現射頻前端電路阻抗與天線阻抗的自動匹配。通過使用微處理器MSP430提供的在線可編程功能，直接通過USB-JTAG轉接模塊，在計算機上調試仿真并下載微處理器。本系統(tǒng)采用高級語言C51編程，程序的可讀性和可移植性較好，并兼顧程序的編譯效率。此外，還可以通過筆記本計算機直接在現場修改程序，對功能和參數進行現場調整，這種方式給工業(yè)儀器儀表中參數修正和軟件升級帶來了極大方便。

5 實驗分析

    實驗分析分為兩部分。第一部分實驗：選取10種天線，這10種天線的電感依次為300 μH、400 μH、…1 200 μH。依次連接在自適應天線匹配低頻RFID讀寫器系統(tǒng)上，啟動自適應程序，系統(tǒng)成功配置電容網絡，配置的電容網絡等效電容值和諧振頻率如表1所示。從表1可以看出，自適應匹配后的網絡的諧振頻率基本都在134 kHz左右（偏差不超過0.5%），即低頻RFID系統(tǒng)工作的頻率，也就獲得到最大的發(fā)射功率。

    第二部分實驗：將完整的自適應天線匹配低頻RFID讀寫器和普通的低頻RFID讀寫器分別放置在水中，此時讀寫器的天線電感將發(fā)生變化，普通的低頻RFID讀寫器的讀寫距離明顯減少，而自適應天線匹配低頻RFID讀寫器的讀寫距離仍可以保持原來的水平。

    本文設計了一種自適應天線匹配低頻RFID讀寫器，該讀寫器集成了發(fā)射幅度檢測電路和匹配電容矩陣以及相應 的掃描和設置軟件。通過實驗測試，該系統(tǒng)運行良好，大體實現了不同電感天線的發(fā)射匹配要求，比普通讀寫器更能適應水中工作。該設計方法還有進一步的改進空間，例如根據更多環(huán)境下的實驗了解天線電感變化的范圍，優(yōu)化電容矩陣結構，提高匹配效率。該技術還可以移植到高頻和超高頻RFID系統(tǒng)中。

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