RFID主要由閱讀器和應(yīng)答器兩大部分組成。閱讀器（如圖1）是數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)，內(nèi)含一個與應(yīng)答器相配合的耦合元件,。應(yīng)答器（如圖2）是數(shù)據(jù)載體，內(nèi)含一個微型芯片和一個天線線圈組成的耦合元件[1],。

        圖3所示為無源RFID閱讀器和應(yīng)答器的LC振蕩回路工作原理[2],。閱讀器中有由線圈L1電容C1構(gòu)成的LC振蕩回路1，這個振蕩回路可以產(chǎn)生頻率為f0的交變磁場,。應(yīng)答器中線圈回路的分布電容C’和外接調(diào)諧電容C共同構(gòu)成電容C2與線圈L2并聯(lián)形成LC振蕩回路2,，其諧振頻率為f，當(dāng)應(yīng)答器線圈置于閱讀器的交變磁場中并且其諧振頻率f與閱讀器交變磁場的頻率f0相同時,，振蕩回路1,、2產(chǎn)生諧振。諧振使閱讀器天線線圈產(chǎn)生非常大的電流,，使應(yīng)答器線圈上的感應(yīng)電壓達(dá)到最大值,，經(jīng)二極管整流后作為穩(wěn)定的電壓給微型芯片提供工作所需要的能量，完成閱讀器對芯片上的信息讀寫[3-4],。

        LC振蕩回路的頻率可根據(jù)湯姆遜公式（1）計(jì)算得到：

        應(yīng)答器的諧振頻率f是根據(jù)所制作的LC振蕩回路的電容值C2和電感值L2得到的,。

　　應(yīng)答器的天線線圈可以用金屬蝕刻法、金屬線纏繞法,、真空鍍金屬法和導(dǎo)電油墨印刷法等多種方法制作得到,。線圈生產(chǎn)完成后，其電感值L2就已經(jīng)確定,，根據(jù)所測定的線圈電感值L2及閱讀器的發(fā)送頻率f0,，可與確定所需匹配的電容值C。由于線圈回路附帶了一個分布電容C’,，也稱為內(nèi)部寄生電容,，而且分布電容C’的值不可測得，所以通過正確合理的方法選擇調(diào)諧電容C就顯得十分重要了,。

2,、關(guān)于調(diào)諧電容C的計(jì)算

　　如圖4所示為筆者用導(dǎo)電油墨印制的應(yīng)答器線圈，根據(jù)閱讀器發(fā)送頻率的要求,，所制作的應(yīng)答器的諧振頻率f應(yīng)為8.2 ,。通過電感測試儀測得線圈電感的大概值為4.5 。
變換公式1得到：

        在標(biāo)準(zhǔn)電容值中選擇82PF的電容器幫定到圖4所示的線圈導(dǎo)線兩端，如圖5所示為幫定了82PF電容器的應(yīng)答器,。

        由于在計(jì)算中沒有慮及線圈的分布電容C’,，因此，根據(jù)公式（3）計(jì)算得到的82PF電容值實(shí)際上是應(yīng)答器中的分布電容C’和調(diào)諧電容C的總和,。若將82PF作為調(diào)諧電容值匹配到線圈上,，則線圈的總電容值增大，LC回路中的所得到的諧振頻率必定比要求的8.2 小,，將不能與閱讀器產(chǎn)生諧振,，因此必須修正調(diào)諧電容值。在修正調(diào)諧電容值的過程中要反復(fù)的檢測修正以后的電子標(biāo)簽的諧振頻率,，這就需要有專門的儀器來測量電子標(biāo)簽的諧振頻率,，由于目前還沒有用來檢測無源電子標(biāo)簽諧振頻率的合適的儀器，所以筆者自己設(shè)計(jì)了一款耦合器,，這種耦合器通過實(shí)驗(yàn)可以很好的完成檢測電子標(biāo)簽諧振頻率的工作，下面我們來詳細(xì)介紹這款耦合器,。

3,、耦合器的工作原理

　　耦合器的核心部分是兩組圍繞在中空圓筒體上的半徑為r、匝數(shù)為N的線圈2,、3,，兩組線圈平行共軸，中心間距L正好為線圈半徑r,，從而構(gòu)成了一個亥姆霍茲線圈[5-6],。如圖6所示。

        取L的中心“O”作為空間坐標(biāo)體系x,、y,、z軸的中心。產(chǎn)生的磁場分布如圖7所示 ：

        圖7曲線“I”,、“II”,、“II”內(nèi)各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度H與中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度H0的相對誤差分別小于1.0%、0.1%和0.01%,，中心點(diǎn)0附近的磁場相當(dāng)均勻,，越靠近中心點(diǎn)，磁場均勻性越好,。因此,，檢測無源RFID應(yīng)答器頻率時，把應(yīng)答器放在亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的磁場空間的中心點(diǎn)O上,，以使應(yīng)答器平面上各點(diǎn)所得到的磁場均勻,，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎相等。

4、耦合器的主要結(jié)構(gòu)

        耦合器結(jié)構(gòu)如圖8所示,，粘在底座6上的圓柱體1是由1mm厚的硬質(zhì)塑料板或硬質(zhì)紙板圍成的半徑為R的空心筒體,。導(dǎo)線2，4分別在筒體1表面繞成緊密相挨的兩圈,，其垂直距離L等于筒體1的半徑R,。支撐塊3粘在筒體1的外壁上，其內(nèi)部安裝兩個BNC接頭7,、8,、變壓器鐵芯9、兩個變壓器線圈10,、11以及兩個調(diào)諧電容,，圓筒體1中間有圓柱體擱臺5用來放置待檢測的電子標(biāo)簽。圖9（a-d）所示為耦合器實(shí)物圖,。

5,、應(yīng)答器頻率測定原理

        與耦合器匹配的頻譜分析儀如圖10所示，接口1是信號源輸出端口,，與耦合器的接頭7相連,，為耦合器提供信號，接口2是信號輸入端口,，與耦合器的接頭8相連,，將應(yīng)答器的諧振信號輸入頻譜分析儀，根據(jù)頻譜分析儀屏幕上所顯示的感應(yīng)電壓曲線分析應(yīng)答器的諧振頻率,。

        耦合器電路原理如圖11所示,。來自頻譜分析儀的信號經(jīng)耦合器內(nèi)的變壓器線圈L1及電容器C1所構(gòu)成的LC振蕩回路1，產(chǎn)生了交變磁場H1,。變壓器線圈L2及調(diào)諧電容器C2,、回路分布電容C3共同構(gòu)成LC振蕩回路2，LC振蕩回路2受交變磁場H1的作用,，產(chǎn)生了感應(yīng)電流,，感應(yīng)電流通過導(dǎo)線線圈2、3產(chǎn)生頻率相同的交變磁場H2,。根據(jù)亥姆霍茲線圈工作原理,，交變磁場H2在耦合器的筒體中心位置產(chǎn)生均勻分布的感應(yīng)磁場。該感應(yīng)磁場可以激發(fā)放置在其中心位置的應(yīng)答器使其LC振蕩回路產(chǎn)生振蕩,。

　　當(dāng)頻譜分析儀的掃頻頻率與應(yīng)答器的振蕩頻率相同時產(chǎn)生諧振,，應(yīng)答器回路中的線圈及電容上的電壓上升至一峰值。頻譜分析儀上所顯示的感應(yīng)電壓曲線的峰值所對應(yīng)的掃描頻率即為所測應(yīng)答器的諧振頻率,。

　　為了避免耦合器內(nèi)部的LC振蕩回路的振蕩頻率對待測應(yīng)答器諧振頻率的影響,，要求耦合器的自身振蕩頻率至少在應(yīng)答器諧振頻率的兩倍以上,。如筆者研制的RFID應(yīng)答器諧振頻率為8.2 ，則為匹配該應(yīng)答器所研制的耦合器的振蕩頻率為40 左右,。

　　根據(jù)湯姆遜公式（1）計(jì)算LC振蕩頻率研制耦合器時,，應(yīng)根據(jù)變壓器的線圈電感L1、L2值,，分別匹配電容,。電容值可根據(jù)公式（2）計(jì)算得到：

        LC回路1的電容由調(diào)諧電容C1與分布電容C4并聯(lián)構(gòu)成，LC回路2的電容由調(diào)諧電容C2與分布電容C3并聯(lián)構(gòu)成,，由于分布電容C3,、C4很小，耦合器的振蕩頻率比應(yīng)答器的諧振頻率大得多,，根據(jù)公式（2）分別計(jì)算得到的振蕩回路的電容值可近似認(rèn)為調(diào)諧電容C1,、C2的值。

6,、關(guān)于調(diào)諧電容C的精確計(jì)算

　　為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算出能使電子標(biāo)簽產(chǎn)生諧振的調(diào)諧電容,，必須確定線圈分布電容C’ 的值。因此,，筆者必須要測定圖5所示應(yīng)答器的實(shí)際頻率f實(shí)際,。

　　利用上述的耦合器來檢測我們的印刷出來的電子標(biāo)簽的頻率，實(shí)驗(yàn)測得：匹配了82PF的調(diào)諧電容后,，該應(yīng)答器的實(shí)際諧振頻率為6.2 ，而不是所要求的8.2 ,。

　　考慮到用電感測試儀測定的電感值有一定的偏差,，所以，用公式（3）計(jì)算得到的電容值不是很準(zhǔn)確,，我們還需要對調(diào)諧電容做進(jìn)一步的匹配,，在消除公式（3）中電感測量誤差的情況下再計(jì)算分布電容。

　　由于分布電容較小,，我們先忽略分布電容的值,，考慮在實(shí)際頻率為8.2 的情況下，重新匹配調(diào)諧電容C,。變換公式（3）,，得到：

得到： =46.878 PF 。

　　選擇51PF的電容器幫定到標(biāo)簽上,，測得標(biāo)簽的實(shí)際頻率為7.3 ,。因此：分布電容C’的計(jì)算可以通過公式（5）得到：

分布電容C’=29.26PF。

　　為了使LC回路得到8.2 的諧振頻率,，調(diào)諧電容C 的計(jì)算可以通過公式（6）得到：

計(jì)算得到調(diào)諧電容 =72.059 PF,。

　　選擇標(biāo)準(zhǔn)電容值75PF的電容器幫定到LC回路中,。經(jīng)測試LC回路的諧振頻率為8.31 ，這是最接近閱讀器發(fā)送頻率的諧振頻率,。雖然實(shí)際匹配的調(diào)諧電容值與計(jì)算得到的調(diào)諧電容值有微小的誤差,，導(dǎo)致了LC回路諧振頻率與閱讀器發(fā)送頻率之間也存在微小的誤差。但是由于閱讀器的發(fā)送頻率在一個（f±10%）的掃頻范圍內(nèi),，該調(diào)諧電容的誤差可以得到彌補(bǔ),。

7、結(jié)論

　　我們設(shè)計(jì)的耦合器可以方便地檢測無源電子標(biāo)簽的諧振頻率,，根據(jù)反復(fù)的檢測來計(jì)算電子標(biāo)簽的分布電容從而可以計(jì)算出我們所需要的調(diào)諧電容,。頻率檢測方法實(shí)用，準(zhǔn)確性高,，為無源電子標(biāo)簽的電容和芯片的匹配提供了可靠的依據(jù),。