摘 要：端口阻抗匹配在電路設(shè)計(jì)中具有重要的作用，采用歸納分析的方法系統(tǒng)分析端口阻抗匹配的一般概念，給出可能的端口匹配模式及其典型應(yīng)用情況的簡要分析。結(jié)合RFID系統(tǒng)中無源電子標(biāo)簽和讀寫器與天線接口間的端口阻抗匹配問題進(jìn)行詳細(xì)深入的分析，明確共軛匹配依然是無源電子標(biāo)簽和讀寫器與天線接口間的最佳阻抗匹配模式。這里所做的歸納總結(jié)與分析結(jié)論具有重要的理論與實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：阻抗匹配；端口匹配；匹配模式；共軛匹配；模匹配

中圖分類號：TN710，TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2008)2002103

Research of Impedance Match-class and Its Application in RFID System

WU Yueshan1，2

(1.Invengo Inf_ormation Technology Co.Ltd.，Shenzhen，518057，China;

2.School of Inf_ormation Science and Technology，Northwest University，Xi′an，710069，China)

Abstract：The port impedance match is very important in circuit design，especially in high frequency circuit.The general concept and classes of port impedance are analyzed with inductive method.Five possible match classes and their typic applications are discussed.Based on the match classes research，the port impedance matches of tag and reader antenna f_or passive RFID system are deeply analysed.The research results indicate that the conjugated match is still the optimal match class f_or both tag and reader antenna.The results from this paper are important theoretical and practical sense in guidance f_or the passive RFID tag and reader antenna design.

Keywords：impedance match;port match;match class;conjugate match;module match

1 引 言

阻抗匹配問題是電子技術(shù)中的一項(xiàng)基本概念，通過匹配可以實(shí)現(xiàn)能量的最優(yōu)傳送，信號的最佳處理。總之，匹配關(guān)乎著系統(tǒng)的性能，使匹配則是使系統(tǒng)的性能達(dá)到約定準(zhǔn)則下的最優(yōu)。其實(shí)，阻抗匹配的概念還可擴(kuò)展到整個(gè)電學(xué)之中，包括強(qiáng)電(以電能應(yīng)用為主)與弱電(以信號檢測與處理為主)兩個(gè)大的領(lǐng)域。再進(jìn)一步，如果去掉阻抗的概念單就匹配而言，則其覆蓋的范圍將更為廣闊，比如：在RFID技術(shù)應(yīng)用中，技術(shù)與需求的滿足涉及到匹配的問題等。

本文主要討論阻抗匹配在電子技術(shù)中的應(yīng)用，特別是在無源RFID標(biāo)簽與讀寫器天線端口阻抗匹配中的應(yīng)用。

2 阻抗匹配的幾種方式

在電子技術(shù)中，電壓(U/u)、電流(I/i)、電阻(R/r)或阻抗(Z/z)都是非?；镜碾妼W(xué)概念，一個(gè)歐姆定律即將其貫穿起來，如式(1)所示：

R=U/I(對于純電阻電路)

Z=U·/I·(對于一般阻抗電路)(1)

其中，阻抗具有較電阻更一般的概念。基爾霍夫定律(KCL和KCL)則關(guān)系到一個(gè)子電路(一個(gè)閉合回路或一個(gè)閉包)的電壓和電流應(yīng)遵守的約束性關(guān)系。

討論阻抗匹配的問題最常用到的另外一個(gè)概念是戴維南定理，它是一個(gè)將復(fù)雜電路等效成為單一阻抗與理想電壓源相串聯(lián)的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 戴維南定理的示例

其中，圖1(a)中的NS和N分別為含有電源的阻抗網(wǎng)絡(luò)和純阻抗網(wǎng)絡(luò)。對于所研究的端口(A-A′)，端口的電壓與電流關(guān)系由戴維南定理保證了圖1(a)和圖1(b)的情況完全等效，再簡化可得到圖1(c)。

通過戴維南定理的等效轉(zhuǎn)換，分析研究端口的阻抗匹配問題均可轉(zhuǎn)化為圖1(c)的模型來進(jìn)行。電源端的阻抗ZS和負(fù)載端的阻抗ZL可以分別寫成如式(2)所示的形式：

ZS=RS+jXS， ZL=RL+jXL(2)

端口阻抗匹配問題的研究可以從2個(gè)基本方向來考慮：

(1) 方向1：源端固定，即RS和XS不可變，考慮負(fù)載端RL和XL與源端的阻抗匹配問題。

(2) 方向2：負(fù)載端固定，即RL和XS不可變，考慮源端RS和XS與負(fù)載端的阻抗匹配問題。

下面以方向1，源端固定負(fù)載改變以實(shí)現(xiàn)匹配的問題為例討論具體的匹配模式。結(jié)合式(2)與圖2(c)，可能的端口阻抗匹配有如下5種模式：

① 共軛匹配模式：此時(shí)有ZL=Z*S，即：RL=RS，且XL=-XS；

② 模匹配模式：此時(shí)有|ZL|=|ZS|，即：

R2L+X2L=R2S+X2S

或R2L+X2L=R2S+X2S

③ 虛部匹配：此時(shí)僅有：XL=-XS，RL放開(可自由取值)；

④ 實(shí)部匹配：此時(shí)僅有：RL=RS，XL放開(可自由取值)；

⑤ 非匹配：此時(shí)有：RL≠RS，XL≠-XS(ZL可自由取值)。

針對阻抗電路(由電源、電阻、電容、電感)，如果電源的頻率是可變的，或者涉及到多個(gè)不同頻率的電源時(shí)(疊加定理可處理)，則源端阻抗ZS和負(fù)載阻抗ZL均是頻率的函數(shù)(電阻R和電抗X)。此時(shí)的端口阻抗匹配問題的研究即是分析一個(gè)工作頻段內(nèi)的阻抗匹配情況。

3 各種阻抗匹配的典型應(yīng)用

前面提到的端口阻抗匹配的5種模式各具不同的應(yīng)用，是由應(yīng)用需求來選擇匹配的模式。下面分別舉例說明：

(1) 共軛匹配

共軛匹配是實(shí)現(xiàn)負(fù)載從源端電源獲取最大功率的最佳匹配方案。負(fù)載獲取功率的計(jì)算公式如下式所示：

PL=I2L·RL=U2s(RS+RL)2+(XS+XL)2·RL

可以證明：當(dāng)ZL=Z*S，即XL=-XS，且RL=RS時(shí)，負(fù)載吸收(消耗)的功率PL為最大，最大功率為：(PL)max= U2s/(4RL)。XL是由儲能元件(電容與電感的作用)引入的，其吸收的能量并不消耗，因而不計(jì)為負(fù)載消耗的功率。

共軛匹配的典型應(yīng)用是在最佳接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用(如雷達(dá)接收機(jī))。此時(shí)，圖2(c)中的電源代表的是接收到的信號，負(fù)載獲得最大功率意味著最有效地利用接收到的微弱信號的能量。

(2) 模匹配

模匹配是實(shí)現(xiàn)負(fù)載從源端電源獲取最大功率的另一種匹配方案。該種方案是將負(fù)載阻抗看作一個(gè)整體的情況來考慮。負(fù)載獲取功率的計(jì)算公式如式所示。

RL=|ZL|cos θL

PL=I2L·RL

=U2s(RS+|ZL|cos θL)2+(XS+|ZL|sin θL)2·

|ZL|cos θL

=U2s|ZL|cos θL|ZL|2+2|ZL|·|ZS|cos(θL-θS)+|ZL|2

由上式可得：當(dāng)|ZL|=|ZS|時(shí)，負(fù)載阻抗上獲得的功率最大，且為(PL)max=U2scos θL/(4|ZL|)。

比較模匹配與共軛匹配的情況，可得在模匹配時(shí)負(fù)載上獲得的功率要小于或等于共軛匹配時(shí)的情況。在無法獲得共軛匹配的情況下，可以考慮以模匹配的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)載獲取最大功率。共軛匹配與模匹配是以負(fù)載獲取最大功率為目的的2種解決方案，但其能量傳輸?shù)男氏鄬^低。共軛匹配時(shí)的能量傳輸效率僅為50%(即有一半的能量消耗在源內(nèi)阻RS上)。

(3) 虛部匹配

虛部匹配時(shí)滿足負(fù)載電抗與源阻抗的電抗分量等值相反，實(shí)部放開(依應(yīng)用所需取值)。典型的應(yīng)用是電力系統(tǒng)的輸電傳送。此時(shí)，能量傳輸效率是目的，提高負(fù)載端的功率因素cos θL是目標(biāo)，一般負(fù)載多呈現(xiàn)一定的感性，因而需要在負(fù)載端通過加容性補(bǔ)償以便減小傳輸線上無功功率的往返傳輸造成功率損耗。

(4) 實(shí)部匹配

實(shí)部匹配情況一般對應(yīng)于工作頻段內(nèi)的阻抗匹配情況，虛部放開(依應(yīng)用所需取值)。例如，在微波電子線路系統(tǒng)中，50 Ω負(fù)載是典型的要求。

(5) 阻抗非匹配

端口阻抗非匹配或失配情況是未考慮匹配問題時(shí)的一般情況。在特定情況下，也可有意回避阻抗匹配而使端口處于非匹配的狀況中。

另外，從嚴(yán)格的意義上來說，匹配是理想情況，非匹配是更一般的情況。所有的匹配措施都是在力圖達(dá)到理想的匹配。

4 無源RFID系統(tǒng)中的阻抗匹配問題

無源射頻識別(RFID)系統(tǒng)原理如圖2所示。電子標(biāo)簽工作時(shí)需要讀寫器發(fā)送射頻能量支持其內(nèi)部的標(biāo)簽芯片工作，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽向讀寫器傳送數(shù)據(jù)或由讀寫器向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)。

圖2 無源RFID系統(tǒng)原理示意圖

在無源RFID系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)中涉及到大量的阻抗匹配問題?，F(xiàn)就無源RFID系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽和讀寫器分舉例，分析其中關(guān)鍵端口——天線接口的阻抗匹配問題。

(1) 標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片的最佳匹配

針對無源電子標(biāo)簽而言，電子標(biāo)簽可以簡化為標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片的直接電連，電聯(lián)的接口匹配問題是電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要方面。需要解決的問題是：

① 確定端口的匹配模式；

② 設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線滿足端口的匹配模式以及天線的方向圖。

電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，其戴維南等效電路如圖3(b)所示(標(biāo)簽天線可等效為天線等效內(nèi)阻與等效感應(yīng)電壓源的串聯(lián)組合，標(biāo)簽芯片可等效為一純阻抗)。

圖3 電子標(biāo)簽天線匹配原理等效

如圖3(b)所示，在無源射頻識別電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中，當(dāng)電子標(biāo)簽芯片給定時(shí)，其等效阻抗ZL也隨之確定。電子標(biāo)簽工作的前提條件是標(biāo)簽芯片從標(biāo)簽天線獲得的能量(通過檢波積累獲得臨時(shí)電源)應(yīng)過門限。根據(jù)圖3(b)的等效電路，當(dāng)共軛匹配時(shí)，標(biāo)簽芯片可從標(biāo)簽天線的感應(yīng)電壓源中獲得最大功率。因而，標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)其等效阻抗與標(biāo)簽芯片端口的等效阻抗的共軛匹配。在給定ZL和US的情況下，共軛匹配要求ZS=Z*L。一般情況下，ZL呈現(xiàn)容性(電容儲能)，因而要求標(biāo)簽天線的ZS顯感性以便與ZL的容性間實(shí)現(xiàn)共軛匹配。

(2) 讀寫器射頻端口與外接天線間的最佳匹配

以無源RFID系統(tǒng)的讀寫器設(shè)計(jì)為例，為了分析讀寫器射頻端口的阻抗匹配情況，可參考如圖4所示的射頻端口等效電路。

圖4 讀寫器射頻端口的阻抗匹配等效

圖4(a)示出了讀寫器主機(jī)(射頻端口)與讀寫器天線的連接端口A-A′。當(dāng)讀寫器發(fā)射功率時(shí)，讀寫器天線可等效為一個(gè)純負(fù)載阻抗，讀寫器主機(jī)可等效為純內(nèi)阻與電壓源的串聯(lián)，如圖4(b)所示。在圖4(b)中，ZS在工作頻帶內(nèi)可近似為50 Ω的純電阻，在端口界面A-A′上，通常要求行波傳送，即無從ZL回送到讀寫器的發(fā)射能量，由此要求ZL等效為純電阻。進(jìn)一步講，為使讀寫器天線有最大的功率輻射能力(即從電源獲得最大功率)，亦要求ZL=ZS=50 Ω，同時(shí)也滿足ZL=Z*S的共軛匹配條件。

由此可以確定，讀寫器天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

(1) 端口等效阻抗在工作頻帶內(nèi)為50 Ω(實(shí)際情況為接近50 Ω)；

(2) 天線方向圖滿足閱讀空間覆蓋要求。從端口阻抗匹配的角度來說，因仍滿足ZL=Z*S的共軛匹配條件，故仍屬共軛匹配的范疇。

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)討論阻抗匹配的基本概念、阻抗匹配的種類，以及各種匹配的具體含義。簡要分析各種阻抗匹配的典型應(yīng)用。結(jié)合無源RFID系統(tǒng)中的產(chǎn)品開發(fā)，討論阻抗匹配的具體應(yīng)用，從理論上明確了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)概念，得出基本判斷，對具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］邱關(guān)源.電工原理\\.北京:高等教育出版社，1989.

［2］李翰蓀.電路分析基礎(chǔ)\\.北京:高等教育出版社，2003.

［3］王忠敏.EPC技術(shù)基礎(chǔ)教程\\.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［4］劉瑞揚(yáng).鐵路車號自動識別系統(tǒng)原理及應(yīng)用\\.北京:鐵道出版社，2002.

［5］中國自動識別技術(shù)協(xié)會.條碼與射頻標(biāo)簽應(yīng)用指南\\.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［6］武岳山，陳長安.RFID技術(shù)應(yīng)用問題綜述\\.自動識別技術(shù)與應(yīng)用，2006(2):24-29.

［7］Philips Semi.SC3 ICS 10 UCODE-Datasheet-SL109920.

［8］Philips Semi.UCODE-Label Antenna Design Guide-v13.

作者簡介

武岳山 男，1962年出生，河南宜陽人，副教授。主要從事射頻識別(RFID)技術(shù)方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文