基于无源电子标签的谐振频率检测的耦合器设计

　　RFID主要由阅读器和应答器两大部分组成。阅读器(如图1)是数据捕获系统，内含一个与应答器相配合的耦合元件。应答器(如图2)是数据载体，内含一个微型芯片和一个天线线圈组成的耦合元件[1]。

　　图1 阅读器 图2 应答器

　　图3所示为无源RFID阅读器和应答器的LC振荡回路工作原理[2]。阅读器中有由线圈L1电容C1构成的LC振荡回路1，这个振荡回路可以产生频率为f0的交变磁场。应答器中线圈回路的分布电容C’和外接调谐电容C共同构成电容C2与线圈L2并联形成LC振荡回路2，其谐振频率为f，当应答器线圈置于阅读器的交变磁场中并且其谐振频率f与阅读器交变磁场的频率f0相同时，振荡回路1、2产生谐振。谐振使阅读器天线线圈产生非常大的电流，使应答器线圈上的感应电压达到最大值，经二极管整流后作为稳定的电压给微型芯片提供工作所需要的能量，完成阅读器对芯片上的信息读写[3-4]。

　　图3 无源RFID阅读器和应答器的LC振荡回路工作原理

　　LC振荡回路的频率可根据汤姆逊公式(1)计算得到：

(1)

　　应答器的谐振频率f是根据所制作的LC振荡回路的电容值C2和电感值L2得到的。

　　应答器的天线线圈可以用金属蚀刻法、金属线缠绕法、真空镀金属法和导电油墨印刷法等多种方法制作得到。线圈生产完成后，其电感值L2就已经确定，根据所测定的线圈电感值L2及阅读器的发送频率f0，可与确定所需匹配的电容值C。由于线圈回路附带了一个分布电容C’，也称为内部寄生电容，而且分布电容C’的值不可测得，所以通过正确合理的方法选择调谐电容C就显得十分重要了。

　　2、关于调谐电容C的计算

　　如图4所示为笔者用导电油墨印制的应答器线圈，根据阅读器发送频率的要求，所制作的应答器的谐振频率f应为8.2 。通过电感测试仪测得线圈电感的大概值为4.5 。

　　变换公式1得到：

(2)

(3)

　　在标准电容值中选择82PF的电容器帮定到图4所示的线圈导线两端，如图5所示为帮定了82PF电容器的应答器。

　　图4 用导电油墨印制的应答器线圈 　图5 绑定了85PF电器的应答器

　　由于在计算中没有虑及线圈的分布电容C’，因此，根据公式(3)计算得到的82PF电容值实际上是应答器中的分布电容C’和调谐电容C的总和。若将82PF作为调谐电容值匹配到线圈上，则线圈的总电容值增大，LC回路中的所得到的谐振频率 必定比要求的8.2 小，将不能与阅读器产生谐振，因此必须修正调谐电容值。在修正调谐电容值的过程中要反复的检测修正以后的电子标签的谐振频率，这就需要有专门的仪器来测量电子标签的谐振频率，由于目前还没有用来检测无源电子标签谐振频率的合适的仪器，所以笔者自己设计了一款耦合器，这种耦合器通过实验可以很好的完成检测电子标签谐振频率的工作，下面我们来详细介绍这款耦合器。

　　3、耦合器的工作原理

　　耦合器的核心部分是两组围绕在中空圆筒体上的半径为r、匝数为N的线圈2、3，两组线圈平行共轴，中心间距L正好为线圈半径r，从而构成了一个亥姆霍兹线圈[5-6]。如图6所示。

　　图6 亥姆霍兹线圈结构示意图

　　取L的中心“O”作为空间坐标体系x、y、z轴的中心。产生的磁场分布如图7所示

　　图7 亥姆霍兹线圈磁场均匀分布曲线图

　　图7曲线“I”、“II”、“II”内各点的磁感应强度H与中心点的磁感应强度H0的相对误差分别小于1.0%、0.1%和0.01%，中心点0附近的磁场相当均匀，越靠近中心点，磁场均匀性越好。因此，检测无源RFID应答器频率时，把应答器放在亥姆霍兹线圈所产生的磁场空间的中心点O上，以使应答器平面上各点所得到的磁场均匀，磁感应强度几乎相等。