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适用于UHF RFID读写器射频前端的阻抗自动匹配网络研究

作者: 发布时间:2020-01-21 09:36:53 阅读: 61 次

摘要: UHF RFID技术是一种非接触式智能识别技术,其系统一般由读写器和天线组成。本设计通过分析由于天线差异而造成UHF RFID读写器性能下降的原因,提出了使用动态阻抗匹配的解决方案,并仿真验证了理论的可行性。

 

关键词:自动阻抗匹配、UHFRFID、读写器

 

引言:

RFID (Radio Frequency Identification)技术是一种非接触式智能识别技术,是物联网的基石,信息化的宠儿。其出现于20世纪中后期,由于这种技术的便捷性使得该技术得到了迅速的发展,而近年来兴起的UHF频段的RFID技术大大提升了智能识别的距离和识别的速度,使得该频段的技术成为了RFID行业里的焦点。

随着以RFID为核心的物联网产业的规模的不断扩大和发展,UHF频段的RFID技术的应用越来越广泛。UHF RFID系统是一种远距离智能识别系统,它由读写器及天线两部分组成。国内出现了很多研发生产UHF RFID读写器的企业,但大多数企业却只能研发生产UHF RFID读写器,却无法研发生产UHF RFID系统的另一个重要部件:天线。因为天线的研发投入非常巨大,一般的企业难以承受,所以只能依懒于外部采购,更甚的是采购回来的天线也很难进行定性定量的质量测量,天线的质量只能依靠供应商单方面的质量保证,而这样的保证往往是不可靠的。鉴于天线质量对于UHF RFID系统的影响非常大,因此亟需一种有效的技术来降低UHF RFID读写器对天线质量的依赖性,而本设计通过改进传统的阻抗匹配电路,有效地降低UHF RFID系统对天线质量的依赖。

1UHF RFID读写器简介及问题描述

如图1所示,UHF频段的RFID读写器一般都是基于这种基础结构制作而成的,可以看到射频前端的收发通道的隔离方式有双天线和环行器两种,而实际应用中为了增强读写器的灵活性和降低成本都会选择后者,即收发都用同一个天线,收发通道之间通过一个环行器进行隔离。这种方法虽然有以上提到的优点,但缺点同样明显,如接收性能明显受制于环行器隔离度和天线阻抗匹配等参数。

 

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1UHF RFID读写器基本结构

在这种模式下,当天线阻抗不匹配时,天线会将部分发射功率反射回来,造成发射效果变差,使电子标签的接收能量变弱。而且这部分反射信号将直接通过环行器加载到接收器前端,而这部分反射信号强度远大于电子标签的返回信号,这强大的脉冲信号会造成混频器前端饱和,严重干扰标签返回信号的解调,从而使得电子标签不能被识别。

2、阻抗匹配的改进方案

上述问题是由于天线阻抗不匹配引起的,而在射频电路中,阻抗匹配是很重要的一环,它的目的是使负载阻抗与源阻抗匹配,从而获得更大的功率传输,所以通过在环行器的前端增加一个阻抗匹配电路,就能很好的解决该问题。但是传统的匹配电路都是固定值,针对某种特定情况设计的,而市面上天线种类繁多,参数各不相同,传统的匹配电路无法应对,所以要对传统的匹配网络进行改优化,使得匹配网络能自动调整,从而适应对各种不同的天线进行匹配。

 

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2、改进后的UHF RFID读写器结构

改进后的读写器基本结构图如图2 所示,在原来的基础架构上,增加了自动匹配电路、反射信号强度检测电路两个部分,通过对反射信号强度的检测分析,由主处理器自动调节匹配电路,当检测到反射信号强度少于预定值时,则匹配成功。

3、自动匹配网络设计及仿真

阻抗匹配电路的设计方式有很多种,但基于灵活性考虑,本设计选用了集总参数元器件的方式,而匹配网络结构则选用了π型结构,因为π型结构的阻抗特性和相频特性非常适合用于进行匹配网络。所设计的自动匹配网络如下图3所示。其中,C1C2C5为数字可变电容,Term1为匹配网络的输入,源阻抗为标准50欧,Term2为天线,阻抗假设为40欧。

 

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3、自动匹配网络设计图

通过ADS对此电路进行仿真,通过对C1C2C5进行调节,自动匹配网的S参数S(2,1)在整个频段内均少于0.1db,效果理想。用同样方法试验了多个不同的天线阻抗,均获得良好的效果,由此验证了该方案的可行性。

4、结语

本文分析了天线差异而造成UHF RFID读写器性能下降的原因,提出了一种阻抗匹配网络,其能自动调整阻抗从而适应不同天线。给出了仿真经过,验证了理论的可行性。现该电路已经广泛应用于本单位的读写器中,实际应用情况良好。但引起读写器性能下降的因素并不止天线一个,还有本振信号的泄漏,如果能配合本振泄漏抵消电路一起使用的话,读写器的性能将会得到更大的提升,限于篇幅,本振泄漏抵消电路需另文阐述。

 

参考文献:

[1]游战清等:《无线射频识别技术(RFID)理论与应用》.2004,电子工业出版社

[2]Reinhold LudwigPavel Bretchko:《射频电路设计——理论与应用》.2002,电子工业出版社

[3] 徐福兴《ADS2008射频电路设计与仿真实例》2009,电子工业出版社