電子發燒友網>RF/無線>耦合器的主要結構 - 基于無源電子標簽的諧振頻率檢測的耦合器設計

耦合器的主要結構 - 基于無源電子標簽的諧振頻率檢測的耦合器設計

4、耦合器的主要結構

圖8 耦合器結構示意圖

耦合器結構如圖8所示，粘在底座6上的圓柱體1是由1mm厚的硬質塑料板或硬質紙板圍成的半徑為R的空心筒體。導線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簽。圖9（a-d）所示為耦合器實物圖。

（a）　　（b）　（c）　（d）

圖9 耦合器實物圖

5、應答器頻率測定原理

圖10 頻譜分析儀實物圖

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，將應答器的諧振信號輸入頻譜分析儀，根據頻譜分析儀屏幕上所顯示的感應電壓曲線分析應答器的諧振頻率。

圖11 耦合器電路原理

耦合器電路原理如圖11所示。來自頻譜分析儀的信號經耦合器內的變壓器線圈L1及電容器C1所構成的LC振蕩回路1，產生了交變磁場H1。變壓器線圈L2及調諧電容器C2、回路分布電容C3共同構成LC振蕩回路2，LC振蕩回路2受交變磁場H1的作用，產生了感應電流，感應電流通過導線線圈2、3產生頻率相同的交變磁場H2。根據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生均勻分布的感應磁場。該感應磁場可以激發放置在其中心位置的應答器使其LC振蕩回路產生振蕩。

當頻譜分析儀的掃頻頻率與應答器的振蕩頻率相同時產生諧振，應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電壓曲線的峰值所對應的掃描頻率即為所測應答器的諧振頻率。

為了避免耦合器內部的LC振蕩回路的振蕩頻率對待測應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答器諧振頻率的兩倍以上。如筆者研制的RFID應答器諧振頻率為8.2 ，則為匹配該應答器所研制的耦合器的振蕩頻率為40 左右。

根據湯姆遜公式（1）計算LC振蕩頻率研制耦合器時，應根據變壓器的線圈電感L1、L2值，分別匹配電容。電容值可根據公式（2）計算得到：

（2）

LC回路1的電容由調諧電容C1與分布電容C4并聯構成，LC回路2的電容由調諧電容C2與分布電容C3并聯構成，由于分布電容C3、C4很小，耦合器的振蕩頻率比應答器的諧振頻率大得多，根據公式（2）分別計算得到的振蕩回路的電容值可近似認為調諧電容C1、C2的值。

6、關于調諧電容C的精確計算

為了能夠準確計算出能使電子標簽產生諧振的調諧電容，必須確定線圈分布電容C’ 的值。因此，筆者必須要測定圖5所示應答器的實際頻率f實際。

利用上述的耦合器來檢測我們的印刷出來的電子標簽的頻率，實驗測得：匹配了82PF的調諧電容后，該應答器的實際諧振頻率為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）計算得到的電容值不是很準確，我們還需要對調諧電容做進一步的匹配，在消除公式（3）中電感測量誤差的情況下再計算分布電容。

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

（3）

得到： =46.878 PF 。

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

（5）

分布電容C’=29.26PF。

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

（6）

計算得到調諧電容 =72.059 PF。

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