用于无源UHF RFID标签的可调匹配网络优化设计

佐 磊，胡 靖，何怡刚,2，李 兵,2，尹柏强,2

（1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，合肥 230009；2.武汉大学 电气工程学院，武汉 430072）

0 引言

无源超高频（UHF）射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种低成本、远距离、非接触的自动识别技术，在能源、交通、物流等领域已取得广泛应用[1]。标签天线与芯片的阻抗匹配关系是制约RFID系统识别距离的重要因素[2]。但在实际应用中，受元器件选型、标签几何尺寸、制造工艺水平等条件制约，标签天线与芯片阻抗经常不能实现共轭匹配，需要设计专门的阻抗匹配网络以实现最优化的系统性能[3,4]。

迄今为止，已有诸多文献对标签天线与芯片阻抗匹配网络的设计进行了研究。文献[5]设计了用于RFID标签天线测试的可调匹配网络，但并未具体给出匹配网络电感和电容的数值以及分布情况。文献[6]设计了低成本的阻抗匹配网络实现了标签天线与负载阻抗的共轭匹配，实现了低成本但适用范围不大。文献[7]利用天线的寄生电感和调整反向散射的电容来实现电路匹配。文献[8～10]主要是针对金属标签天线的设计来满足与标签芯片的匹配。

本文结合了阅读器与标签之间的能量传输规律以及匹配网络的特性，在标签天线与芯片间设计一个二端口级联匹配网络，不用对标签天线进行复杂设计，适用范围广。对于不同阻抗的天线，比较其对匹配网络元件参数和分布的影响，通过调节二端口匹配电路来选择性能参数最优的匹配网络。在超高频标签天线和芯片之间设计一个阻抗匹配网络，能够将不同阻抗的超高RFID标签天线匹配到确定的芯片中，很好的解决了标签因能量不够而不能被识别的缺点。对于工程应用而言，本文设计的匹配网络方法能快速找到最优匹配电路，并将匹配网络整合到标签的电路中，实现标签的有效识别。

1 无源UHF RFID系统能量传输

1.1 无源UHF RFID系统链路模型

无源UHF RFID信号传输可以分为阅读器到标签的前向链路和标签到阅读器的反向链路。在前向链路中，阅读器天线发射携带指令的连续波信号，标签天线接受信号后通过整流电路激活标签芯片，提供其工作电压。反向链路中，标签通过改变反向散射调制阅读器天线发射的连续波信号，将标签响应数据传输至阅读器[11,12]。典型无源UHF RFID系统链路模型及标签的等效电路如图1所示。

图1 无源UHF RFID系统示意图

假定阅读器天线的增益为Gr，标签的天线增益为Gt，阅读器对标签发射的功率为Pr-t，阅读器与标签的距离记为d，则标签天线接收到的功率Pt-rec为：

其中 为RFID工作频率波长，阅读器天线辐射电磁波到标签天线处的功率密度Sr=Pr-tGr/（4πd2），标签天线的有效面积Aet=Gtλ2/（4π）。如果定义了标签工作所需的最小能量Pt-min，那么前向链路传输距离可以定义为：

定义反射系数ρ为：

其中Z*a=Ra- jXa，标签芯片接收的功率Pc-rec为：

其中功率传输系数τ为：

设标签芯片灵敏度阈值为Pth，当芯片接受的功率Pc-rec大于Pth时标签被激活，开始工作，由式(4)、式(5)可得标签芯片可读取最大距离为：

反向链路中，标签天线反向散射功率Pt-b为：

其中阻抗匹配因子K为：

阅读器天线接收到标签反射回的功率Pr-rec为：

如果定义了阅读器端解调信号所需的最小信号能量Pr-min，则反向链路传输距离可以定义为：

1.2 标签阻抗匹配关系分析

标签的负载阻抗有三种典型状态：ZL=Z*a为阻抗匹配状态，此时Km=1、ρm=0，能量传输实现最大化；ZL=0为阻抗短路状态，此时Ks=4R2a/（R2a+X2a），ρs=（-Ra+ jXa）/（Ra+jXa）；ZL=∞ 为阻抗开路状态，此时K0=0、ρ0=1。其实标签的负载阻抗是在匹配状态和短路状态之间进行状态转换[12]，从式(8)可以看出阅读器天线接收的功率也随之改变，从而完成信号的调制。如果标签达不到匹配效果，则标签反射回的功率Pr-rec就不能达到阅读器工作所需的最小能量，从而使标签无法被识别，降低了标签的识别率。从式(9)中也可以看出反向链路的传输距离也与反射系数相关，标签的阻抗匹配效果越好，反向链路的传输距离也就越长，在传输距离范围内可读取的标签数量也就越多。

由式(6)可知，当确定射频工作频率、阅读器发射功率、阅读器天线增益以及标签芯片灵敏度阈值Pth，标签芯片可读取最大距离只与标签天线增益和标签的匹配程度有关，这里设定在共轭匹配状态下，RFID系统的归化统一工作距离为3m，即当|ρ|=0时，dt-max=3m。当标签天线增益变为原来的2倍时，读取距离将增大为原来的1.414倍，标签芯片读取距离与反射系数绝对值关系如图2所示。

图2 反射系数与标签芯片读取距离的关系

目前UHF RFID系统的关键是标签能否被阅读器读取以及阅读器能否根据标签反射回的信号做出相应的调制工作，因此在标签天线与芯片之间引入匹配网络可以降低反射系数的绝对值，增大功率传输系数τ和阻抗匹配因子K，增大系统识别距离。由式(7)可知反向链路的传输能量也将增大，阅读器能有效读取标签传输过来的信息，实现标签的有效识别。

2 标签天线与阻抗的匹配网络设计

2.1 标签的工作原理分析

假设V，I分别是标签的感应电压和感应电流，标签天线阻抗为Za=Ra+jXa，所呈现电感性；芯片负载阻抗为ZL=RL+jXL，所呈现电容性，标签的等效电路如图3所示。

图3 标签等效电路

2.2 阻抗匹配网络理论推导

根据最大功率传输定理，如图4将电路看作戴维南等效电路。

图4 戴维南等效电路

由图4可知电路中电流为：

电流的有效值为：

在这里我们计算芯片的有功功率为：

当电压V一定时，标签天线与芯片阻抗满足Xa+XL=0，Ra=RL时标签芯片可获得最大功率，一般标签的芯片阻抗值都是一定的，我们无法改变。当确定标签的芯片和天线时，如果它们的阻抗没有共轭匹配，我们就无法保证标签的工作能量，此时在天线和芯片之间引入一个阻抗匹配网络来实现它们的共轭匹配，芯片就可以获得最大的有功功率来保证正常工作。当Ra=RL，Xa=-XL，即Za=Z*L时，提供给负载的功率最大，最大有功功率为：

当回路发生串联谐振时，即ωL=1/ωC 回路产生的电流最大，已知品质因数Qc=1/ωRLCL，QL=ωLa/Ra，输入芯片的电压为[13,14]：

有效值为：

2.3 二端口级联匹配网络

天线的阻抗呈感性，芯片的阻抗呈容性，对此将天线与芯片中间的电路当作一个二端口网络，本文设计两个二端口网络，分别连接标签的天线和芯片，内部元件阻抗值可调，再通过将这两个二端口连接，实现最好的阻抗匹配，两个二端口连接方式有串联，并联，串-并联，并-串联，级联5种方式。

本文采用的是二端口的级联，级联的信号传输应用十分广泛，相对于其他连接方式级联连接简便，T参数计算简单，可调性强。它是前一级二端口的输出与后一级二端口的输入相连，这种连接方式不会破坏端口电流条件，相对于串联，并联，串并联的连接方式而言，级联不用进行有效性校验。级联时一般采用T参数如图5所示。

图5 级联的示意图

设二端口网络的T参数分别为Ta、Tb，复合后的二端口网络T参数方程公式为：

由式(17)可以看出复合二端口级联时的T参数等于相级联的子二端口的T参数矩阵Ta和Tb的乘积为：

设计图6、图7所示的匹配电路，电感、电容元器件全部可调。其中Na、Nb分别是连接标签天线和芯片的二端口网络，采用级联方式使其构成匹配网络。

图6 匹配电路一

图7 匹配电路二

3 仿真实验结果及分析

本文以Impinj公司的Monza5芯片为例，利用ADS软件进行仿真实验。Monza5为UHF芯片，工作频率范围为860MHz～960MHz，在典型工作频率920MHz时的阻抗为14-j160Ω。本文选取标签天线阻抗实部在5～80Ω，虚部在50～400Ω之间变换。由于标签天线阻抗数值大小决定了匹配网络的电路结构和分布参数[5,13]，本文选取4个典型的天线输入阻抗进行仿真实验。

3.1 天线阻抗为5+j50Ω

选取的标签天线输入阻抗为5+j50Ω，通过ADS仿真软件使其与阻抗为14-j160Ω的芯片进行阻抗网络匹配。具体的匹配网络有5种选择，其中图8(a)是针对低成本阻抗匹配，在这里主要是为了方便与其他匹配网络进行对比，匹配电路如图8所示。

图8 天线阻抗为5+j50Ω的阻抗匹配网络设计图

一般的反射系数绝对值越小越好，对应的dB值越小越好。在这里我们选择图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)进行Smith圆图的比较，图9(a)～图9(d)分别对应图8(b)～图8(e)的匹配电路，通过Smith圆图实现共轭匹配的效果。

图9 标签天线芯片共轭匹配Smith圆图

把参数电路整合到Smith圆图中可以更加准确简明展现电路特性[15]，当复阻抗串联电感时，将导致负载沿着等电阻圆顺时针移动；串联电容时，负载沿着等电阻圆逆时针移动；复阻抗并联电感时，将导致负载沿着等电导圆逆时针移动；并联电容时，负载沿着等电导圆顺时针移动。在这里我们具体介绍图9(a)：点1位置为标签芯片的阻抗值为14-j160Ω，串联13.3nH的电感后到达点2，在并联1.4pF的电容后到达点3，此时点3对应的阻抗值为5-j50Ω，与标签天线正好达到共轭匹配的效果。

对图8的5种匹配电路进行仿真，仿真结果如图10所示。

图10 天线阻抗为5+j50Ω的匹配网络仿真效果

由图10仿真结果可以看出dB(S(3,3))效果最好，即对应的是图8(b)的匹配网络，采用串电感并电容的方式实现匹配网络的最优化。用图7的可调电路二：开关K3、K4闭合使C1、C3短路，K2断开使L2断路，K1闭合接通C2，C2调为1.4pF，L1调为0，L3调为13.3nH。这样就可实现最优的匹配网络，从图(10)的仿真结果可以看出回波损耗的值能达-49dB，保证了芯片的工作能量。图8(a)所示的电路作为比较电路，虽然结构简单易调，但是其匹配后反射系数绝对值偏大，dB值无法达到工作要求。

3.2 天线阻抗为5+j200Ω

选取输入阻抗为5+j200Ω的天线，通过ADS仿真，可选用的匹配电路如图11所示，其中图11(a)是比较电路。

图11 天线阻抗为5+j200Ω的阻抗匹配网络设计

对图11的5种匹配电路进行仿真，仿真结果如图12所示。

由仿真结果可以看出图11(b)对应的dB(S(3,3))仿真效果最好，匹配电路采用串电容并电容的方式实现匹配网络的最优化。(1)可直接选用图6匹配电路一，开关K1、K4断开，K2、K3闭合，电感L1、L3取0，电容C2取348fF，C3取992fF；(2)选择图7匹配电路二，开关K1、K3闭合，K2、K4断开，电感L1、L3取0，电容C2取348fF，C3取992fF。回波损耗值最小值可以达到-70dB，实现共轭匹配的理想效果。比较电路图11(a)其dB(S(1,1))仿真结果较差不满足实际的标签工作要求。这样的电路选取可实现天线实部较小，虚部较大的情况。

图12 天线阻抗为5+j200Ω的匹配网络仿真效果

3.3 天线阻抗为20+j100Ω

选取输入阻抗为20+j100Ω的天线，可选择的匹配网络如图13所示，其中图13(a)是比较电路。

图13 天线阻抗为20+j100Ω的阻抗匹配网络设计

对图13的5种匹配电路进行仿真，仿真结果如图14所示。

图14 天线阻抗为20+j100Ω的匹配网络仿真效果

由仿真结果可以看出图13(b)对应的dB(S(3,3))的效果较好，匹配网络采用的是并电感串电感的形式。1）选用图6匹配电路一，K1、K3、K4闭合，K2断开，电感L1取16nH，电感L2取169nH，L3取0值；2）选用图7匹配电路二，开关K2、K3、K4闭合，K1断开，L1取16nH，L2取169nH。回波损耗值最小值可以达到-49dB，满足共轭匹配要求。

3.4 天线阻抗为50+j300Ω

选取天线输入阻抗为50+j300Ω的天线，可选择的匹配电路如图15所示，其中图15(a)是比较电路。

图15 天线阻抗为50+j300Ω的阻抗匹配网络设计

对图15的5种匹配电路进行仿真，仿真结果如图16所示。

图16 天线阻抗为50+j300Ω的匹配网络仿真效果

通过仿真结果可以看出dB(S(1,1)、dB(S(3,3)、dB(S(5,5))的阻抗匹配参数性能相近且效果较好，分别对应的电路图15(a)、图15(b)、图15(c)，图15(a)虽然是比较电路，但是我们可以看出其匹配效果不逊于其它电路，而且电路结构简单低成本，在此直接选用图15(a)的匹配电路。 在天线输入阻抗50+j300Ω时，采用的是串电容并电感的形式，调节匹配电路一、匹配电路二都可实现。对于阻抗为14-j160Ω的芯片可以直接采取并联59nH电感的成本匹配网络，即满足了反射系数参数要求，也实现了低成本的电路设计。

仿真结果表明当天线输入阻抗继续增大时，对于Monza5芯片，低成本的匹配网络设计基本满足能量传输要求，即在标签天线与芯片之间并联电感，在这里不作过多说明。

4 实物测试

图17 二端口级联可调匹配网络电路模型

图17是依据匹配电路二设计的电路模型，选定标签中心频率的理论值在920MHz。在实际电路连接时所接入的元件参数与理论值会有一定误差，不能保证完全达到共轭匹配状态，所以实验结果与仿真结果相比没有达到理想效果，但是信号接收情况验证了设计的可行性（所用仪器为上海聚星有限公司生产的射频识别系统VISN-R1200）。本文设计的匹配网络方法能快速找到最优匹配电路，在工程实际应用中将最优匹配电路元件整合到标签的电路中可满足应用条件。

图18 标签性能测试场景

表1是本文设计的二端口级联匹配网络与其它文献的匹配网络的性能对比。本文设计的匹配电路可针对不同输入阻抗的标签天线，匹配网络内部可调，通过ADS仿真可找到最合适的电路及参数，基本达到共轭匹配的效果，反射系数最高可达-70dB，相比其他匹配网络设计性能较好。

5 结论

本文结合标签链路模型和二端口网络分析方法，探究得到在标签天线与芯片之间引入匹配网络可以增大传输能量，降低反射系数的绝对值。在此提出了级联思想，在标签天线和芯片之间都采用一个二端口网络，通过级联方法使其连接，对于确定的芯片，可以通过该方法在一个较大范围内选取不同阻抗天线来实现与其共轭匹配，并且通过调节匹配网络找到最合适的匹配电路，不用担心复合二端口网络的端口条件因连接而失效，二端口的内部电路可以根据具体的情况改变。具体的匹配网络方式有串电感并电容、串电容并电容、并电感串电感和并电感串电容四种方式，通过ADS仿真对多个匹配电路进行比较，选出最优的匹配网络实现能量的最大化传输，回波损耗的最小值都小于-45dB，相对于其他的匹配方式实现了优化设计。其中当匹配参数满足条件时，我们使用简单的低成本的匹配电路。本文设计的二端口级联匹配电路只适用于阻抗在一定范围内的标签天线，下一步研究标签天线其阻抗实部与虚部的大小比例关系对匹配网络的影响，进一步提出优化匹配电路的设计，提高系统性能参数。

表1 二端口级联匹配网络性能对比