用于射频识别标签天线测试的可调匹配网络

唐 涛 夏运强 宋开军 杜国宏

（1.成都信息工程学院电子工程学院，四川 成都610225；2.电子科技大学电子工程学院，四川 成都610054）

引 言

得益于物流管理、身份识别、电子票据和非接触支付等领域无线通信应用的不断扩展，超高频（ultrahigh frequency，UHF）射频识别（radio frequen-cy identification，RFID）技术及其影响近年来备受学者关注［1-2］.目前各国划分给RFID使用的UHF频段不尽相同，例如欧洲为860.6～867.6MHz，北美为902～960MHz，日本为952～954MHz［3-4］，而我国信息产业部公布的8 0 0/9 0 0MHzRFID技术应用规定（试行）则划分为两个频段840～845MHz和920～925MHz.典型的RFID系统由读写器、标签和交互软件组成，其中标签由辐射天线和RFID芯片组成.标签和读写器之间的通信效率主要依靠天线特性和信道特征［5］.因此，天线是整个RFID系统中的重要组成部分.

由于RFID芯片普遍呈现出电容性［6］，在RFID标签天线的设计中就要使天线的阻抗呈现出电感性以实现天线与芯片之间阻抗的共轭匹配.也即是说，RFID标签天线具有R＋j XΩ形式的阻抗特性.普通天线的特性参量通常使用矢网进行测试，连接矢网的同轴线探头特性阻抗一般为50＋j0Ω，不能直接使用矢网实现对RFID标签天线的参数测量，带来了该类天线的测试难度同时也往往需要购置额外的仪器.本文提出一种专门针对RFID天线参量测试用的匹配网络，该匹配网络能实现在860～960 MHz范围内根据不同RFID芯片匹配要求进行调节的功能，实现RFID天线与测试同轴探头之间的匹配.使用本匹配网络，利用矢网对实际RFID天线回波损耗（S11）进行测试，测试结果与理论和仿真结果比较一致.

1 标签天线测试匹配网络设计

1.1 RFID标签天线阻抗特点

无源RFID标签天线可以简化为天线与标签芯片的直接电连接，其中接口处的匹配尤为重要.RFID标签天线及其戴维南等效电路［7］可用图1表示［8-9］.

图1 电子标签天线匹配原理等效

如图1所示，在无源RFID标签天线的设计过程中，当RFID标签芯片给定时，其等效阻抗ZL也随之确定，此时负载芯片获取的功率由下式计算为

从式（1）可以看到，只有当设计的天线与标签芯片阻抗共轭匹配时，标签芯片可从天线的感应电压源中获得最大功率.

1.2 标签天线测试匹配网络

正是由于RFID标签天线的电感性复阻抗特性，使大多数使用同轴线端口的测试仪器不能直接对RFID天线进行测试，从而造成测试仪器的浪费（有的企业需要购买阻抗分析仪对RFID标签进行测试）.如果借助象巴伦等辅助工具，其测试结果的准确性就依赖于巴伦的理想化程度［10］，具有对称结构的RFID标签也可以通过镜像原理进行测试［11］，但该方法对非对称结构天线无效.Meys等曾提出了一种利用双端口矢网分析仪（Vector Network Analyzer）对RFID天线测试的方案［12］，该方案的校准过程比较复杂，且只针对对称偶极子类的RFID天线.联系到阻抗匹配网络的特点，根据RFID标签天线的阻抗特点和常用矢网测试接头的特性阻抗，可以设计出元件可调的匹配网络，实现在整个UHF射频识别频段两者之间的阻抗匹配和对具有不同阻抗特性的RFID天线参数的测试目标.

1.3 匹配网络设计

芯片阻抗一般呈现出电容性，RFID标签天线的阻抗应该表现为电感性，具有R＋j XΩ的形式.通过Smith原图来设计匹配电路，使标签天线与矢网同轴探头阻抗50＋j0Ω实现匹配.例如Impinj M4［13］芯片在915MHz处阻抗为12-j143Ω，使用该芯片的标签天线其阻抗与芯片共轭匹配为12＋j143Ω，在915MHz使用Smith原图设计的标签天线与同轴探头阻抗匹配电路如图2（a）所示.为了能够在整个UHF射频识别频段内（860～960MHz）实现标签天线与同轴探头之间的匹配，需要对图2（a）匹配电路进行进一步优化设计.可以通过添加电容和电感元件实现，最后，采用的设计电路如图2（b）所示.

在图2（b）所示的匹配电路中采用可调电子元件，就可以满足使用不同RFID芯片的标签天线测试需要.为了说明方案的可行性，采用固定电容值，人工绕制、调试电感值的方式来实现，实际应用中可使用可调电容和可调电感.根据匹配电路计算出电感的圈数及大小，调节电感线圈的间距来调整电感大小.图2（c）为最终实物图.

假设一款基于Impinj M4芯片的RFID标签天线，在整个UHF频段范围内（860～960MHz），使用图2所示的匹配网络可以实现标签天线与矢网同轴接头（50Ω）之间的良好阻抗匹配，匹配效果如图3所示.

实际的RFID标签天线阻抗取决于芯片阻抗值，使用不同的芯片就决定标签天线具有不同的阻抗，因此，我们设计的阻抗匹配网络必须能够在一个很宽的阻抗实部和虚部范围内进行调节，满足不同标签天线的测试.

固定该匹配网络负载阻抗的虚部为143Ω，改变其负载阻抗实部，图4给出了不同阻抗实部时该匹配网络的匹配效果.在860～960MHz，该匹配网络能够实现阻抗实部在5～50Ω之间的匹配.

要保持该匹配网络负载阻抗实部为15Ω不变，改变阻抗虚部大小.图5为具有不同虚部阻抗的匹配效果.在860～960MHz，虚部阻抗在50～300Ω范围内都能实现很好的匹配.

图5 不同阻抗虚部匹配效果

从图4和图5可以看到：随着标签天线阻抗实部的增加，该匹配网络能够匹配的频带范围将变宽；随着天线虚部阻抗的增加，能够实现匹配的频带越窄.可以得出这样的结论：在整个UHF RFID频段，本文设计的匹配网络能够实现阻抗实部5～50Ω，虚部小于300Ω的RFID标签天线与矢网测试端口的阻抗匹配.

2 测试结果

用图2所示的匹配网络，利用R＆S ZVL矢量网络分析仪对两款谐振在915MHz附近且具有不同阻抗的标签天线的回波损耗（S11）进行了测试.为了更好地说明使用该匹配网络所得测试结果的准确性，我们自制了一根915MHz半波长单极子天线，如图6（b）所示，根据天线理论，通过该半波长天线与标签天线之间的谐振来确定标签的谐振频点.使用本文设计的匹配网络和使用半波长天线对两款待测标签的测试结果与天线的仿真结果比较如图7所示.

通过该半波长天线测得的天线a的谐振点在902MHz附近，与该天线仿真所得的909.2MHz比较吻合.利用本文设计的匹配网络，使用矢网测试天线a所得的谐振点约为907.1MHz，如图7（a）所示，使用该匹配网络测试的结果具有较高精度.同样地，使用该匹配网络对标签天线b测试所得的回波损耗和仿真结果（见文献［14］）及使用自制半波长单极子天线与标签谐振所得的回波损耗的结果比较如图7（b）所示.

从图7可以看出，本文设计的RFID矢网测试匹配网络的测试结果具有良好的精确性.需要说明的是，天线a在915MHz的阻抗为17＋j145Ω［14］，天线b阻抗与Alien H3芯片［15］共轭匹配，也即是在915MHz的阻抗为27＋j201Ω.不同的标签芯片，就会有不同的阻抗特性，例如高电容性的芯片就需要设计出高电感性的标签天线，相应地可以通过调节本文设计的匹配网络的电子元件，增加电感来实现矢网对具有高电感性阻抗的标签天线的测试工作；相反，如果待测标签天线为低电感性，只需要降低匹配网络的电感即可完成测试.

图7 匹配网络和自制半波长天线对标签的测试效果

3 结 论

本文设计了一种能够将具有不同阻抗特性的UHF频段RFID标签天线的阻抗匹配到50欧姆的匹配网络，使标签天线特有的R＋jX形式的阻抗与同轴线端口之间实现阻抗匹配.该匹配网络很好地解决了普通矢网不能测试标签天线参数的问题，实验结果验证了该匹配网络的测试精度.并且该匹配器还具有以下两个特点：①简单、经济且实用（不需要借助于其他任何工具和仪器）；②具有很大的匹配范围调节空间（860～960MHz之内，阻抗实部大于5Ω，虚部小于300Ω）.使用该匹配器对RFID标签天线参数测试，将为相关行业节省不必要的仪器投入，同时也降低了测试难度.

［1］ZUO Y J.Survivable RFID systems：issues，challenges，and techniques［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics-Part C：Applications and Reviews，2010，40（4）：406-418.

［2］张 为，曾 燕.基于LTCC技术的UHF RFID标签天线设计［J］.电波科学学报，2008，23（5）：987-996.ZHANG Wei，ZENG Yan.UHF RFID antenna design based on LTCC technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（5）：987-996.（in Chinese）.

［3］王钟葆，房少军，傅世强.一种超高频射频识别读写器天线［J］.电子学报，2011，39（8）：1873-1877.WANG Zhongbao，FANG Shaojun，FU Shiqiang.A UHF RFID reader/writer antenna［J］.Electronica Sinica，2011，39（8）：1873-1877.（in Chinese）.

［4］谭立容，王从屹，伍瑞新.一种全球通用的小型超高频标签天线设计［J］.电波科学学报，2012，27（4）：663-666.TAN Lirong，WANG Congyi，WU Ruixin.Design of a miniaturized UHF tag antenna for global usage［J］.Chinese Journal of Radio Science，2012，27（4）：663-666.（in Chinese）.

［5］CHO H G，LABADIE N R，SHARMA S K.Design of an embedded-feed type microstrip patch antenna for UHF radio frequency identification tag on metallic objects［J］.IET Microw Antennas Propag，2010，4（9）：1532-1539.

［6］HARISH A R，GUPTA A，PUROHIT H，et al.Performance analysis of RFID tag antennas［J］.International Journal on Wireless and Optical Communications，2008，5（1）：60-68.

［7］张永瑞.电路分析基础［M］.3版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

［8］武岳山.阻抗匹配的种类及其在RFID系统中的应用研究［J］.现代电子技术，2008，20（283）：21-23.WU Yueshan.Research of impedance match-class and its application in RFID system［J］.Modern Electronics Technique，2008，20（283）：21-23.（in Chinese）.

［9］武军伟，龚子平，万显荣，等.基于简化实频方法的宽带天线阻抗匹配网络设计［J］.电波科学学报，2011，26（2）：382-387.WU Junwei，GONG Ziping，WAN Xianrong，et al.Design of broadband antenna impedance matching network based on simplified real frequency technique［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（2）：382-387.（in Chinese）.

［10］QING X M，GOH C K，CHEN Z N.Impedance characterization of RFID tag antennas and application in tag co-design［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2009，57（5）：1568-1574.

［11］MEIER A S，SUMMERS W P.Measured impedance of vertical antennas over finite ground planes［J］.Proc IEEE，1949，37（6）：609-616.

［12］MEYS R，JANSSENS F.Measuring the impedance of balanced antennas by an S-parameter method［J］.IEEE Antennas Propag Mag，1998，40（6）：62-65.

［13］Monza 4RFID tag chips datasheet［EB/OL］.［2012-04-20］.http：//www.impinj.com/Documents/Tag＿Chips/Monza＿4＿Tag＿Chip＿Datasheet/.

［14］段艳敏，廖 成，夏小勇.新型弯折偶极子RFID天线的小型化分析与设计［J］.微波学报，2010，26（5）：64-67.DUAN Yanmin，LIAO Cheng，XIA Xiaoyong.Miniaturized analysis and design of a novel folded dipole antenna for RFID［J］.Journal of Microwaves，2010，26（5）：64-67.（in Chinese）.

［15］Alien Higgs-3IC Product Overview［EB/OL］.［2012-04-20］.http：//www.alientechnology.com/docs/products/Alien-Technology-Higgs-3-ALC-360.pdf.