近年來，無線射頻識別RFID技術得到了迅速發展，已被廣泛應用于工業生產、商業和交通運輸等眾多領域^[1-3]。在工業現場、野外、甚至水中，這些環境下溫度、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讀寫器系統在基本的低頻RFID讀寫器系統的基礎上進行了功能擴展，該系統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。該系統比基本的低頻RFID讀寫器系統多了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的模擬/數字轉換器電路有足夠的穩定和轉換時間,確保采集的天線發射信號的幅度準確穩定，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讀寫器系統上，啟動自適應程序，系統成功配置電容網絡，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系統工作的頻率，也就獲得到最大的發射功率。

    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，該系統運行良好，大體實現了不同電感天線的發射匹配要求，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，例如根據更多環境下的實驗了解天線電感變化的范圍，優化電容矩陣結構，提高匹配效率。該技術還可以移植到高頻和超高頻RFID系統中。

參考文獻

[1] 陳瑞祥，王亞芳，葛明杰，等.基于RFID和GPRS的校園防盜系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2013（9）：54-58.

[2] 徐書芳，王金海，宮玉龍，等.基于RFID冷鏈運輸監測網絡的研究與設計[J].電子技術應用，2013，39（7）：69-73.

[3] 王友俊.RFID技術的應用與發展趨勢[J].煤炭技術，2011，30(6)：219-224.

[4] 光新軍，王敏生，葉海超，等.RFID在井下工具中的應用[J].石油機械，2013，41(5)：25-29.

[5] 秦金立，戴文潮，萬雪峰，等.無線射頻識別技術在多級滑套壓裂工具中的應用探討[J].石油鉆探技術，2013，41(3)：123-126.

[6] GONZALEZ L A，VALVERDE E，LAIRD T.RFID provides multiple on-demand activation/deactivation reliability to underreaming[R].SPE 146033，2011.

[7] TOUGH J，MASON J，BIEDERMANN R.Radio frequency identification of remotely operated horizontal frac[R].SPE 143940，2011.

[8] 白興文，張亞君.基于RFID天線阻抗自動匹配技術研究[J].電子器件，2010，33(2)：205-208.

[9] 張桂英，戴宇杰，張小興，等.天線阻抗的實時檢測及自動校正系統設計[J].中南大學學報(自然科學版)，2013，44(1)：195-202.

[10] 沈冬青.RFID射頻識別技術標準解析及現狀研究[J].中國安防，2011(4)：37-40.