李凱麗，梁 庭，洪應(yīng)平，楊 芳，秦 麗，熊繼軍

(中北大學(xué)a.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

1 無(wú)線耦合傳輸簡(jiǎn)介

在一些非接觸信號(hào)傳輸場(chǎng)合，如射頻識(shí)別(Radio Frequency Identity，RFID)技術(shù)，利用無(wú)線耦合信號(hào)傳輸方式進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別對(duì)象的目的［1-3］。無(wú)線耦合信號(hào)傳輸通過兩個(gè)電感線圈的互感耦合實(shí)現(xiàn)，原理如圖1所示［4］。在遠(yuǎn)距離互感耦合情況下，需要增大信號(hào)發(fā)射天線端能量，因此需要對(duì)信源與發(fā)射天線進(jìn)行阻抗匹配。本文設(shè)計(jì)了中心頻率為7.812 MHz的信號(hào)讀取天線，并對(duì)天線進(jìn)行阻抗匹配，使信號(hào)發(fā)生器發(fā)射的信號(hào)能以最大功率傳輸?shù)阶x取天線端。

圖1 無(wú)線耦合傳輸原理

2 天線的設(shè)計(jì)研究

2.1 平面螺旋電感設(shè)計(jì)

無(wú)線耦合信號(hào)傳輸通過天線實(shí)現(xiàn)，在此使用由電容與電感組成的LC諧振天線，根據(jù)體積面積方面的要求，將天線中電感設(shè)計(jì)成平面螺旋結(jié)構(gòu)，有正方形、六邊形、八邊形、圓形等形狀［5-6］，如圖2 所示。

圖2 平面螺旋電感結(jié)構(gòu)示意圖

通過式(1)可以計(jì)算出平面螺旋的電感值，其中電感 的內(nèi)徑、外徑、線寬、線間距等因素都會(huì)影響電感值的大?。?-8］，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)這些影響因素進(jìn)行綜合考慮。

電感計(jì)算公式為

式中:μ為磁導(dǎo)率，真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7;n為電感線圈匝數(shù)，其他參數(shù)如表1所示。

表1 電感計(jì)算公式參數(shù)

2.2 天線參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)LC諧振天線進(jìn)行阻抗匹配，天線由100 pF的電容與4 μH的平面螺旋電感組成，諧振頻率為

天線諧振頻率的理論值為7.94 MHz，示波器測(cè)試天線諧振頻率為7.812 MHz，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。其中4 μH的平面圓形螺旋電感采用環(huán)氧樹脂基底，結(jié)構(gòu)參數(shù)為n=10，din=21 mm，dout=40 mm，w=0.5 mm，s=0.5 mm。根據(jù)式(1)計(jì)算電感理論值為3.995 μH，使用Aglient公司的4284A(LCR表)儀器測(cè)量的電感值為3.995 μH，實(shí)際測(cè)量與理論計(jì)算基本吻合，說明式(1)是合理的。

圖3 示波器測(cè)試天線諧振頻率(截圖)

3 天線阻抗匹配設(shè)計(jì)

3.1 阻抗匹配原理

阻抗匹配有兩種形式，一種是負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到無(wú)失真的電壓傳輸;另一種是負(fù)載阻抗等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，這時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率［9］。如果信源內(nèi)阻抗和負(fù)載阻抗均為純阻性，則兩種匹配條件等同。常見的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)有L形、π形、Γ形［10-11］。為了保證信號(hào)發(fā)生器發(fā)射的信號(hào)能以最大功率傳輸?shù)教炀€端，天線與信號(hào)的發(fā)射端須達(dá)到阻抗匹配，在此建立L形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最大功率傳輸，如圖4所示。

圖4 L形阻抗匹配示意圖

圖4中，Zin的表達(dá)式為

在無(wú)線耦合信號(hào)傳輸中，當(dāng)天線與遠(yuǎn)端測(cè)試諧振器互感耦合時(shí)，通過天線端信號(hào)變化測(cè)得遠(yuǎn)端測(cè)試諧振器的諧振頻率。遠(yuǎn)端測(cè)試諧振器發(fā)生變化時(shí)，在阻抗匹配前，互感耦合的信號(hào)比較微弱，容易受到震動(dòng)、溫度、外界電磁等噪聲的影響，造成近端測(cè)試誤差大或無(wú)法測(cè)量的問題，阻抗匹配后，互感耦合的能量增大，非接觸式測(cè)試系統(tǒng)中的測(cè)量信號(hào)較匹配前穩(wěn)定，不易受外界噪聲干擾。

3.2 天線阻抗匹配過程

首先對(duì)電感為4 μH、中心頻率為7.812 MHz的天線進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)的阻抗匹配進(jìn)行ADS軟件仿真，天線諧振頻率為7.812 MHz時(shí)，天線端阻抗ZL=1.7 Ω，為使天線端與信源特性阻抗50 Ω達(dá)到匹配，在天線端首先串聯(lián)184.6 nH的電感，再并聯(lián)2.17 nF的電容，天線端匹配后S=49.99+j×0.25 Ω，阻抗匹配示意圖如圖5所示，ADS仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 天線阻抗匹配示意圖

4 天線阻抗匹配測(cè)試

根據(jù)ADS軟件阻抗匹配結(jié)果，搭建阻抗匹配電路，從天線端串聯(lián)180 nH的電感，再并聯(lián)2.2 nF的電容，匹配電容兩端接RIGOL DG3061A信號(hào)發(fā)生器，天線兩端接RIGOL DS6064示波器，如圖7所示。

圖6 ADS仿真結(jié)果圖

圖7 天線阻抗匹配電路

信號(hào)發(fā)生器首先發(fā)射掃頻范圍為1～50 MHz、掃頻時(shí)間1 ms、Vpp為5.0 V的掃頻信號(hào)，電路中只有諧振天線時(shí)，使用示波器測(cè)試諧振天線端電壓情況，天線阻抗未匹配時(shí)，諧振信號(hào)峰峰值電壓17.0 V，阻抗匹配后，諧振信號(hào)峰峰值電壓22.7 V，如圖8所示?？梢钥闯鲎杩蛊ヅ浜箅姼袃啥说碾妷涸龃笄襋值也相應(yīng)增大，說明阻抗匹配后天線端接收的信號(hào)增強(qiáng)，可以更方便準(zhǔn)確地判斷分析天線諧振信號(hào)。

圖8 阻抗匹配前后天線端電壓(截圖)

信號(hào)發(fā)生器發(fā)射定頻信號(hào)，頻率為天線諧振頻率7.812 MHz，在只有諧振天線的情況下，匹配前測(cè)試電感兩端電壓17.7 V，匹配后測(cè)試電壓23.4 V;天線與傳感器耦合時(shí)，匹配前電感兩端電壓12.5 V，比耦合前17.7 V降低5.2 V，匹配后測(cè)得電感兩端電壓為4.2 V，比耦合前23.4 V降低19.2 V，測(cè)試電壓如表2所示。阻抗匹配后諧振信號(hào)明顯增大，可以更加方便地判斷分析傳感器的諧振信號(hào)。

表2 阻抗匹配前后天線端測(cè)試電壓

5 結(jié)論

在無(wú)線耦合信號(hào)傳輸過程中，為了保證信號(hào)能以最大功率傳輸?shù)教炀€上，對(duì)傳輸天線進(jìn)行阻抗匹配，并對(duì)阻抗匹配結(jié)果進(jìn)行ADS仿真，搭建阻抗匹配電路，通過測(cè)試傳輸天線端信號(hào)來(lái)判斷諧振情況，實(shí)驗(yàn)證明阻抗匹配后天線端電壓幅值與Q值明顯增大，可以更加方便地檢測(cè)諧振信號(hào)。

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