0 引言

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

    RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息^[1]。

    本文設(shè)計了一種基于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、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，其位置會不同程度的下移，當(dāng)金屬極板逐漸靠近天線時，天線的阻抗會隨之改變，導(dǎo)致RFID芯片與天線之間阻抗失配，此時芯片可自動調(diào)節(jié)輸入阻抗（容性阻抗），以滿足與天線之間阻抗匹配。金屬極板移動的距離不同，對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，會產(chǎn)生一一對應(yīng)的關(guān)系，形成一定規(guī)律的壓力曲線。

1 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

1.1 阻抗匹配

    通常說的天線阻抗匹配是指射頻電路輸入輸出端口阻抗與天線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表示天線端口，兩個端口間通過傳輸線相連，在標(biāo)簽天線系統(tǒng)中，通常芯片射頻端和天線端口是直接相連的，傳輸線長度影響可以忽略。

    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，則可以稱兩個端口存在共軛匹配。共軛匹配下，負(fù)載所獲得的能量最大，RFID系統(tǒng)的使用效率就會最高。

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

    圖3中，R_a為線圈天線電阻，L_a為線圈天線電感，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)。對于任意的天線環(huán)境，Chameleon引擎都能夠自動地調(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)簽芯片的天線自動匹配調(diào)節(jié)單元由天線諧振匹配回路和數(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)天線環(huán)境自適應(yīng)改變匹配電容的特性。利用這個特性，可以人為地改變天線環(huán)境，即可以人為地調(diào)整天線周圍金屬板與天線的距離，從而調(diào)整天線對于RFID芯片的輸入阻抗。Magnus S3會滿足匹配輸入阻抗的公式：

使得匹配阻抗電容值與環(huán)境等效電感值滿足共軛關(guān)系。測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 傳感器天線結(jié)構(gòu)

2.1 天線設(shè)計

    如圖5所示，天線設(shè)計采用超高頻Inlay天線結(jié)構(gòu)。在耦合模型中，Inlay標(biāo)簽天線等效分成3個部分，即饋電端口、小環(huán)和彎折偶極子。小環(huán)等效天線電阻R_c和電感L_c的串聯(lián)組合，彎折偶極子天線等效為天線電阻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。通過耦合模型，從饋電端口可以得到對應(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

    測試所用傳感器由上極板、下極板、天線PCB、可變長隔離柱組成，圖6為傳感器天線結(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為下極板和天線的隔離柱長度，h₂為天線和上極板的隔離柱長度。

    測試時保持下極板到PCB距離h₁高度不變，不斷改變上極板到PCB距離h₂，通過RFID讀寫器讀取在不同距離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下電容值的一一對應(yīng)關(guān)系即可得到壓力F=kh₂與電容值的一一對應(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。滿足即可滿足共軛匹配關(guān)系。

3 測試結(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變化下頻率與天線輸入電容的變化曲線，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變化時有比較明顯的線性變化關(guān)系。

3.2 仿真與測試結(jié)果分析

    將天線安裝后最初測試結(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)際測試較仿真會存在頻率下偏的情況，如圖7所示的天線的輸入電容的仿真結(jié)果。在905 MHz附近時，50 mm范圍內(nèi)電容變化范圍超過0.6 pF；而在920 MHz頻率附近時，天線輸入電容幾乎沒有變化。因此對天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖8所示。

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

    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性的對應(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

    本文介紹了天線阻抗匹配的原理，并通過可自適應(yīng)調(diào)節(jié)阻抗匹配的芯片設(shè)計了一種用于電力設(shè)備中的無線無源壓力傳感器方案。通過傳感器搭建以及系統(tǒng)仿真與測試，可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的無線無源距離測量，通過簡單的彈力系數(shù)轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)無線無源壓力傳感器的功能，適用于電力設(shè)備無源非接觸式壓力檢測等應(yīng)用場景。

參考文獻(xiàn)

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