檢測(cè)無源RFID電子標(biāo)簽諧振頻率的耦合器之關(guān)鍵技術(shù)研究

RFID主要由閱讀器和應(yīng)答器兩大部分組成。閱讀器（如圖1）是數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)，內(nèi)含一個(gè)與應(yīng)答器相配合的耦合元件。應(yīng)答器（如圖2）是數(shù)據(jù)載體，內(nèi)含一個(gè)微型芯片和一個(gè)天線線圈組成的耦合元件[1]。
    

圖1 閱讀器    圖2 應(yīng)答器
 
　　圖3所示為無源RFID閱讀器和應(yīng)答器的LC振蕩回路工作原理[2]。閱讀器中有由線圈L1電容C1構(gòu)成的LC振蕩回路1，這個(gè)振蕩回路可以產(chǎn)生頻率為f0的交變磁場(chǎng)。應(yīng)答器中線圈回路的分布電容C’和外接調(diào)諧電容C共同構(gòu)成電容C2與線圈L2并聯(lián)形成LC振蕩回路2，其諧振頻率為f，當(dāng)應(yīng)答器線圈置于閱讀器的交變磁場(chǎng)中并且其諧振頻率f與閱讀器交變磁場(chǎng)的頻率f0相同時(shí)，振蕩回路1、2產(chǎn)生諧振。諧振使閱讀器天線線圈產(chǎn)生非常大的電流，使應(yīng)答器線圈上的感應(yīng)電壓達(dá)到最大值，經(jīng)二極管整流后作為穩(wěn)定的電壓給微型芯片提供工作所需要的能量，完成閱讀器對(duì)芯片上的信息讀寫[3-4]。

圖3 無源RFID閱讀器和應(yīng)答器的LC振蕩回路工作原理
 
　　LC振蕩回路的頻率可根據(jù)湯姆遜公式（1）計(jì)算得到：
 
(1)

應(yīng)答器的諧振頻率f是根據(jù)所制作的LC振蕩回路的電容值C2和電感值L2得到的。

　　應(yīng)答器的天線線圈可以用金屬蝕刻法、金屬線纏繞法、真空鍍金屬法和導(dǎo)電油墨印刷法等多種方法制作得到。線圈生產(chǎn)完成后，其電感值L₂就已經(jīng)確定，根據(jù)所測(cè)定的線圈電感值L₂及閱讀器的發(fā)送頻率f₀，可與確定所需匹配的電容值C。由于線圈回路附帶了一個(gè)分布電容C’，也稱為內(nèi)部寄生電容，而且分布電容C’的值不可測(cè)得，所以通過正確合理的方法選擇調(diào)諧電容C就顯得十分重要了。

2、關(guān)于調(diào)諧電容C的計(jì)算

　　如圖4所示為筆者用導(dǎo)電油墨印制的應(yīng)答器線圈，根據(jù)閱讀器發(fā)送頻率的要求，所制作的應(yīng)答器的諧振頻率f應(yīng)為8.2 。通過電感測(cè)試儀測(cè)得線圈電感的大概值為4.5 。
變換公式1得到：

(2)

(3)

在標(biāo)準(zhǔn)電容值中選擇82PF的電容器幫定到圖4所示的線圈導(dǎo)線兩端，如圖5所示為幫定了82PF電容器的應(yīng)答器。

圖4 用導(dǎo)電油墨印制的應(yīng)答器線圈 　圖5 綁定了85PF電器的應(yīng)答器

　　由于在計(jì)算中沒有慮及線圈的分布電容C’，因此，根據(jù)公式（3）計(jì)算得到的82PF電容值實(shí)際上是應(yīng)答器中的分布電容C’和調(diào)諧電容C的總和。若將82PF作為調(diào)諧電容值匹配到線圈上，則線圈的總電容值增大，LC回路中的所得到的諧振頻率 必定比要求的8.2 小，將不能與閱讀器產(chǎn)生諧振，因此必須修正調(diào)諧電容值。在修正調(diào)諧電容值的過程中要反復(fù)的檢測(cè)修正以后的電子標(biāo)簽的諧振頻率，這就需要有專門的儀器來測(cè)量電子標(biāo)簽的諧振頻率，由于目前還沒有用來檢測(cè)無源電子標(biāo)簽諧振頻率的合適的儀器，所以筆者自己設(shè)計(jì)了一款耦合器，這種耦合器通過實(shí)驗(yàn)可以很好的完成檢測(cè)電子標(biāo)簽諧振頻率的工作，下面我們來詳細(xì)介紹這款耦合器。

3、耦合器的工作原理

　　耦合器的核心部分是兩組圍繞在中空?qǐng)A筒體上的半徑為r、匝數(shù)為N的線圈2、3，兩組線圈平行共軸，中心間距L正好為線圈半徑r，從而構(gòu)成了一個(gè)亥姆霍茲線圈[5-6]。如圖6所示。

圖6 亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)示意圖
 
　　取L的中心“O”作為空間坐標(biāo)體系x、y、z軸的中心。產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布如圖7所示

圖7 亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)均勻分布曲線圖
 
　　圖7曲線“I”、“II”、“II”內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度H與中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度H0的相對(duì)誤差分別小于1.0%、0.1%和0.01%，中心點(diǎn)0附近的磁場(chǎng)相當(dāng)均勻，越靠近中心點(diǎn)，磁場(chǎng)均勻性越好。因此，檢測(cè)無源RFID應(yīng)答器頻率時(shí)，把應(yīng)答器放在亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)空間的中心點(diǎn)O上，以使應(yīng)答器平面上各點(diǎn)所得到的磁場(chǎng)均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎相等。
 
4、耦合器的主要結(jié)構(gòu)

圖8 耦合器結(jié)構(gòu)示意圖
 
　　耦合器結(jié)構(gòu)如圖8所示，粘在底座6上的圓柱體1是由1mm厚的硬質(zhì)塑料板或硬質(zhì)紙板圍成的半徑為R的空心筒體。導(dǎo)線2，4分別在筒體1表面繞成緊密相挨的兩圈， 其垂直距離L等于筒體1的半徑R。支撐塊3粘在筒體1的外壁上，其內(nèi)部安裝兩個(gè)BNC接頭7、8、變壓器鐵芯9、兩個(gè)變壓器線圈10、11以及兩個(gè)調(diào)諧電容，圓筒體1中間有圓柱體擱臺(tái)5用來放置待檢測(cè)的電子標(biāo)簽。圖9（a-d）所示為耦合器實(shí)物圖。

(a) 　?。╞） 　（c） ?。╠）
 
圖9 耦合器實(shí)物圖
 
5、應(yīng)答器頻率測(cè)定原理

圖10 頻譜分析儀實(shí)物圖
 
　　與耦合器匹配的頻譜分析儀如圖10所示，接口1是信號(hào)源輸出端口，與耦合器的接頭7相連，為耦合器提供信號(hào)，接口2是信號(hào)輸入端口，與耦合器的接頭8相連，將應(yīng)答器的諧振信號(hào)輸入頻譜分析儀，根據(jù)頻譜分析儀屏幕上所顯示的感應(yīng)電壓曲線分析應(yīng)答器的諧振頻率。

圖11 耦合器電路原理
 
　　耦合器電路原理如圖11所示。來自頻譜分析儀的信號(hào)經(jīng)耦合器內(nèi)的變壓器線圈L1及電容器C1所構(gòu)成的LC振蕩回路1，產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)H1。變壓器線圈L2及調(diào)諧電容器C2、回路分布電容C3共同構(gòu)成LC振蕩回路2，LC振蕩回路2受交變磁場(chǎng)H1的作用，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過導(dǎo)線線圈2、3產(chǎn)生頻率相同的交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)亥姆霍茲線圈工作原理，交變磁場(chǎng)H2在耦合器的筒體中心位置產(chǎn)生均勻分布的感應(yīng)磁場(chǎng)。該感應(yīng)磁場(chǎng)可以激發(fā)放置在其中心位置的應(yīng)答器使其LC振蕩回路產(chǎn)生振蕩。
 
　　當(dāng)頻譜分析儀的掃頻頻率與應(yīng)答器的振蕩頻率相同時(shí)產(chǎn)生諧振，應(yīng)答器回路中的線圈及電容上的電壓上升至一峰值。頻譜分析儀上所顯示的感應(yīng)電壓曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的掃描頻率即為所測(cè)應(yīng)答器的諧振頻率。

　　為了避免耦合器內(nèi)部的LC振蕩回路的振蕩頻率對(duì)待測(cè)應(yīng)答器諧振頻率的影響，要求耦合器的自身振蕩頻率至少在應(yīng)答器諧振頻率的兩倍以上。如筆者研制的RFID應(yīng)答器諧振頻率為8.2 ，則為匹配該應(yīng)答器所研制的耦合器的振蕩頻率為40 左右。

　　根據(jù)湯姆遜公式（1）計(jì)算LC振蕩頻率研制耦合器時(shí)，應(yīng)根據(jù)變壓器的線圈電感L1、L2值，分別匹配電容。電容值可根據(jù)公式（2）計(jì)算得到：
（2）

LC回路1的電容由調(diào)諧電容C1與分布電容C4并聯(lián)構(gòu)成，LC回路2的電容由調(diào)諧電容C2與分布電容C3并聯(lián)構(gòu)成，由于分布電容C3、C4很小，耦合器的振蕩頻率比應(yīng)答器的諧振頻率大得多，根據(jù)公式（2）分別計(jì)算得到的振蕩回路的電容值可近似認(rèn)為調(diào)諧電容C1、C2的值。

6、關(guān)于調(diào)諧電容C的精確計(jì)算

　　為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算出能使電子標(biāo)簽產(chǎn)生諧振的調(diào)諧電容，必須確定線圈分布電容C’ 的值。因此，筆者必須要測(cè)定圖5所示應(yīng)答器的實(shí)際頻率f實(shí)際。

　　利用上述的耦合器來檢測(cè)我們的印刷出來的電子標(biāo)簽的頻率，實(shí)驗(yàn)測(cè)得：匹配了82PF的調(diào)諧電容后，該應(yīng)答器的實(shí)際諧振頻率為6.2 ，而不是所要求的8.2 。

　　考慮到用電感測(cè)試儀測(cè)定的電感值有一定的偏差，所以，用公式（3）計(jì)算得到的電容值不是很準(zhǔn)確，我們還需要對(duì)調(diào)諧電容做進(jìn)一步的匹配，在消除公式（3）中電感測(cè)量誤差的情況下再計(jì)算分布電容。

　　由于分布電容較小，我們先忽略分布電容的值，考慮在實(shí)際頻率為8.2 的情況下，重新匹配調(diào)諧電容C。變換公式（3），得到：
（3）

得到： =46.878 PF 。

　　選擇51PF的電容器幫定到標(biāo)簽上，測(cè)得標(biāo)簽的實(shí)際頻率為7.3 。因此：分布電容C’的計(jì)算可以通過公式（5）得到：
（5）

分布電容C’=29.26PF。

　　為了使LC回路得到8.2 的諧振頻率，調(diào)諧電容C 的計(jì)算可以通過公式（6）得到：
（6）

計(jì)算得到調(diào)諧電容 =72.059 PF。

　　選擇標(biāo)準(zhǔn)電容值75PF的電容器幫定到LC回路中。經(jīng)測(cè)試LC回路的諧振頻率為8.31 ，這是最接近閱讀器發(fā)送頻率的諧振頻率。雖然實(shí)際匹配的調(diào)諧電容值與計(jì)算得到的調(diào)諧電容值有微小的誤差，導(dǎo)致了LC回路諧振頻率與閱讀器發(fā)送頻率之間也存在微小的誤差。但是由于閱讀器的發(fā)送頻率在一個(gè)（f±10%）的掃頻范圍內(nèi)，該調(diào)諧電容的誤差可以得到彌補(bǔ)。

7、結(jié)論

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的耦合器可以方便地檢測(cè)無源電子標(biāo)簽的諧振頻率，根據(jù)反復(fù)的檢測(cè)來計(jì)算電子標(biāo)簽的分布電容從而可以計(jì)算出我們所需要的調(diào)諧電容。頻率檢測(cè)方法實(shí)用，準(zhǔn)確性高，為無源電子標(biāo)簽的電容和芯片的匹配提供了可靠的依據(jù)。