0 引言

    電力設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受環(huán)境或人為因素影響,，可能會(huì)發(fā)生逐漸的失壓,、形變現(xiàn)象，形成安全隱患,，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)備損壞,、線(xiàn)路停電等電力事故。

    RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息^[1],。

    本文設(shè)計(jì)了一種基于UHF RFID技術(shù)的壓力傳感器標(biāo)簽，如圖1所示,。標(biāo)簽主要由阻抗自適應(yīng)RFID芯片,、UHF 頻段RFID偶極子天線(xiàn)、金屬極板和支撐彈簧構(gòu)成。當(dāng)金屬板受到外力或壓力時(shí),，其位置會(huì)不同程度的下移，當(dāng)金屬極板逐漸靠近天線(xiàn)時(shí),，天線(xiàn)的阻抗會(huì)隨之改變,，導(dǎo)致RFID芯片與天線(xiàn)之間阻抗失配，此時(shí)芯片可自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入阻抗（容性阻抗）,，以滿(mǎn)足與天線(xiàn)之間阻抗匹配,。金屬極板移動(dòng)的距離不同，對(duì)芯片輸入阻抗的影響不同,，自適應(yīng)校正電容調(diào)整范圍也就不同,，會(huì)產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，形成一定規(guī)律的壓力曲線(xiàn),。

1 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

1.1 阻抗匹配

    通常說(shuō)的天線(xiàn)阻抗匹配是指射頻電路輸入輸出端口阻抗與天線(xiàn)輸入輸出端口之間的匹配,。而電子標(biāo)簽作為典型的片上集成系統(tǒng)（System-on-a-Chip，SoC）,，其射頻端口與電子標(biāo)簽天線(xiàn)是緊密相連的,，其阻抗匹配顯得尤為重要。

    如圖2所示,，P_r表示芯片射頻端口,，P_a表示天線(xiàn)端口，兩個(gè)端口間通過(guò)傳輸線(xiàn)相連,，在標(biāo)簽天線(xiàn)系統(tǒng)中,，通常芯片射頻端和天線(xiàn)端口是直接相連的，傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度影響可以忽略,。

    P_r端口的阻抗為R_r+jX_r,，P_a端口的阻抗為R_a+jX_a，如果存在式(1)關(guān)系,，則可以稱(chēng)兩個(gè)端口存在共軛匹配,。共軛匹配下，負(fù)載所獲得的能量最大,，RFID系統(tǒng)的使用效率就會(huì)最高,。

    電子標(biāo)簽芯片端口阻抗一般為容性電抗，而天線(xiàn)則表現(xiàn)出感性電抗,，因此等效電路如圖3所示,。

    圖3中，R_a為線(xiàn)圈天線(xiàn)電阻,，L_a為線(xiàn)圈天線(xiàn)電感,，C_c為芯片射頻端口電容，R_c為芯片射頻端口電阻。在共軛匹配的條件下有：

1.2 自適應(yīng)阻抗匹配電容

    RFID標(biāo)簽芯片采用RFMicron最新版本無(wú)源EPC Gen 2超高頻(UHF)RFID芯片Magnus S3,。該芯片帶有自適應(yīng)阻抗的匹配電容,。Magnus S3芯片有9位精度的傳感器編碼，即實(shí)際上匹配電容值有485種不同的狀態(tài),，對(duì)應(yīng)電容值在1.9 pF～2.9 pF,，其最小電容調(diào)節(jié)精度為2.06 fF^[2]。

    Magnus S3傳感芯片使用一種稱(chēng)為Chameleon技術(shù)的自適應(yīng)電路,，可在不需要外置電池或外置傳感設(shè)備的情況下提供傳感能力,，可以使得標(biāo)簽在寬頻范圍和環(huán)境條件中做出自適應(yīng)調(diào)節(jié)。對(duì)于任意的天線(xiàn)環(huán)境,，Chameleon引擎都能夠自動(dòng)地調(diào)節(jié)MagnusS3芯片的阻抗匹配,。所以Magnus S3不需要外置電池或外置傳感設(shè)備的情況下提供傳感能力，用于讀取環(huán)境變化引起的阻抗變化,，例如溫度的升高或降低或者流體的存在,。如圖4，Magnus S3 RFID標(biāo)簽芯片的天線(xiàn)自動(dòng)匹配調(diào)節(jié)單元由天線(xiàn)諧振匹配回路和數(shù)字控制電路部分組成,。

    阻抗特性如表1所示,。

    Magnus S3有根據(jù)天線(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)改變匹配電容的特性。利用這個(gè)特性,，可以人為地改變天線(xiàn)環(huán)境,，即可以人為地調(diào)整天線(xiàn)周?chē)饘侔迮c天線(xiàn)的距離，從而調(diào)整天線(xiàn)對(duì)于RFID芯片的輸入阻抗,。Magnus S3會(huì)滿(mǎn)足匹配輸入阻抗的公式：

使得匹配阻抗電容值與環(huán)境等效電感值滿(mǎn)足共軛關(guān)系,。測(cè)量電容值的變化即可以得到環(huán)境的變化，從而實(shí)現(xiàn)距離傳感器的功能,。

2 傳感器天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

2.1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

    如圖5所示,，天線(xiàn)設(shè)計(jì)采用超高頻Inlay天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。在耦合模型中,，Inlay標(biāo)簽天線(xiàn)等效分成3個(gè)部分,，即饋電端口、小環(huán)和彎折偶極子,。小環(huán)等效天線(xiàn)電阻R_c和電感L_c的串聯(lián)組合,，彎折偶極子天線(xiàn)等效為天線(xiàn)電阻R_d與電感L_d的串聯(lián)組合，電感L_c和L_d之間存在耦合系數(shù)M,。通過(guò)耦合模型,，從饋電端口可以得到對(duì)應(yīng)耦合模型的輸入阻抗為：

2.2 傳感器標(biāo)簽結(jié)構(gòu)搭建

    測(cè)試所用傳感器由上極板、下極板,、天線(xiàn)PCB,、可變長(zhǎng)隔離柱組成,，圖6為傳感器天線(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖。下極板尺寸100 mm×60 mm,，上極板金屬尺寸100 mm×40 mm,，h₁為下極板和天線(xiàn)的隔離柱長(zhǎng)度，h₂為天線(xiàn)和上極板的隔離柱長(zhǎng)度,。

    測(cè)試時(shí)保持下極板到PCB距離h₁高度不變,，不斷改變上極板到PCB距離h₂，通過(guò)RFID讀寫(xiě)器讀取在不同距離h₂下電容值的變化,。在保持彈簧彈性系數(shù)k不變的情況下，不同距離h₂下電容值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得到壓力F=kh₂與電容值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

    等效電路中匹配阻抗電阻值R_P=2 073 Ω,，電容值C_P在1.9 pF～2.9 pF之間變化。滿(mǎn)足即可滿(mǎn)足共軛匹配關(guān)系,。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果分析

    圖7所示為在不同的上極板距離h₂變化下頻率與天線(xiàn)輸入電容的變化曲線(xiàn),，h₂在30 mm～80 mm變化。其中,，在920 MHz以上的頻率段,，輸入電容值幾乎不隨著上極板距離h₂的變化而變化；在905 MHz左右的頻段,，輸入電容值在h₂的30 mm～70 mm變化時(shí)有比較明顯的線(xiàn)性變化關(guān)系,。

3.2 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

    將天線(xiàn)安裝后最初測(cè)試結(jié)果如表2所示。

    根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),，由于PCB在加工過(guò)程中的工藝影響,、板材本身的電特性和仿真設(shè)置的差異，實(shí)際測(cè)試較仿真會(huì)存在頻率下偏的情況,，如圖7所示的天線(xiàn)的輸入電容的仿真結(jié)果,。在905 MHz附近時(shí)，50 mm范圍內(nèi)電容變化范圍超過(guò)0.6 pF,；而在920 MHz頻率附近時(shí),，天線(xiàn)輸入電容幾乎沒(méi)有變化。因此對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),，如圖8所示,。

    通過(guò)切角的大小來(lái)不斷使電容-頻率曲線(xiàn)沿頻率軸上移，將變化范圍劇烈的區(qū)域移動(dòng)到測(cè)試頻率,。切角邊長(zhǎng)為 L,，通過(guò)不斷切角，當(dāng)L取值11 mm時(shí)電容變化范圍最大,。此情況下,，h₁取值30 mm,，h₂從30 mm變化至80 mm時(shí)，電容讀取值C與h₂的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示,，距離按照1 mm步進(jìn),。讀寫(xiě)器得到的電容讀取值是寄存器中的數(shù)據(jù)，為無(wú)量綱單位,。

    將步進(jìn)距離調(diào)整到5 mm,，可以得到如圖10所示電容與距離之間的關(guān)系，可以比較明顯地看出距離在30 mm～65 mm之間電容值有比較線(xiàn)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

    進(jìn)而取上極板距離在30 mm～65 mm之間的關(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性擬合,，如圖11所示。

    可以得到擬合公式：

    式中電容讀取值C在5～490中變化,，對(duì)應(yīng)電容值C_p在1.9 pF～2.9 pF變化,。

4 結(jié)論

    本文介紹了天線(xiàn)阻抗匹配的原理，并通過(guò)可自適應(yīng)調(diào)節(jié)阻抗匹配的芯片設(shè)計(jì)了一種用于電力設(shè)備中的無(wú)線(xiàn)無(wú)源壓力傳感器方案,。通過(guò)傳感器搭建以及系統(tǒng)仿真與測(cè)試,，可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的無(wú)線(xiàn)無(wú)源距離測(cè)量，通過(guò)簡(jiǎn)單的彈力系數(shù)轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)無(wú)源壓力傳感器的功能,，適用于電力設(shè)備無(wú)源非接觸式壓力檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景,。

參考文獻(xiàn)

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