阻抗匹配(impedance matching) 主要用于傳輸線上,以此來達到所有高頻的微波信號均能傳遞至負載點的目的,而且幾乎不會有信號反射回來源點,從而提升能源效益。信號源內阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同,或傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等且相位相同,分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態,簡稱為阻抗匹配。
以前調試天線匹配參數,由于沒有儀器,所有數據都是經過計算出來的,所以天線的參數可能始終不是最佳的,現在有了頻譜分析儀,所有工作都變的簡單了,下面介紹利用頻譜分析儀結合史密斯圓圖工具來調試天線,使天線性能盡量達到最佳。
1、首先介紹下整套讀卡系統:分為讀頭與天線,這兩個是長距離匹配的。讀頭已經調試好了,使用的是PN512射頻芯片。對外的射頻座子采用的是SMA頭的座子,已經達到了50歐姆的阻抗,中間采用50歐姆的同軸電纜相連,所以我們需要做的就是把天線的輸入阻抗調試到50歐姆,而下面的步驟也是為了這個目標。
2、知道了需要匹配50歐姆阻抗后,現在來了解下天線的頻率,這里的應用一般都是TypeA類的卡片,載波頻率為13.56Mhz。也就是說,在13.56Mhz下,讀頭與天線間的整個通路阻抗需要為50歐姆。下面是天線的原理圖:其中C1、C2、C3、C4均為固定值的電容,C6、C5為可調電容。電容材料一般為COG或NPO的,為了減少溫飄,R1為串聯電阻。匹配的主要目標就是更改這個幾個值來達到:在13.56M下,從SMA端看天線阻抗為50歐姆。
3、接下來正式開始介紹調試步驟,首先需要測試裸天線的參數:C3、C4、C5均不接,C1、C2、C6均短路連接,R1短路連接。利用頻譜分析儀測試出在1Mhz下的裸天線的參數:La = 1050nH。13.56Mhz下的天線串聯電阻Ra = 1.63歐姆。
4、計算品質因素,對于讀卡器的應用,一般品質因素范圍在35左右,具體原因沒研究過。品質因素理解為電感分到的功率,品質因素越大,電流越大。具體計算公式為Q = wL/R,為了達到Q=35左右的值,所以需要增加天線的串聯電阻來得到符合的Q值,L值和原始串聯電阻已經在第三步中測量出來了,La=1050nH,Ra = 1.63歐姆,所以我這里取再增加1.5歐姆的附加電阻,來使得Q值為28.5左右。
5、取R1=1.5歐姆,其余電容還是按照3的步驟不變,焊接完R1后,接著利用頻譜分析儀測量13.56Mhz下的天線的實部與虛部。測得此時天線實部為3.17。虛部為105.56。我們的目標是使得虛部為0,實部為50。
6、接著我們使用史密斯圓圖工具來達到我們的目標。首先輸入原始點 Z = 3.170+105.560j,可以看到TP1點在圓圖的上方,也就是呈現感性。我們先調試并聯電容(串聯電容在高頻下對實部基本沒有影響)使得實部的值為50,取電容值的時候發現,使實部達到50的電容有兩組,一組在圓圖的上方,一組在圓圖的下方,而且是對稱的,我們選擇圓圖的上方這一組,因為后面調虛部時加是容性的電容,如果取下方的這一組,那么后面虛部將調不到0。可以看到我們取的并聯電容值為83.3pf,當然這個值的電容是不存在的,所以就需要挑選合適的C3、C4、C5。為了滿足上下范圍可調,所以取C3=68pf、C4=5.6pf、C5=可調20pf。
7、按照第6部取得的值焊接上C3、C4、C5,并且利用陶瓷螺絲刀調整C5使得實際天線的實部達到50。接著繼續看串聯電容,還是利用史密斯圓圖工具,得出串聯的電容值為28.2pf。同樣,為了滿足上下范圍可調,所以取C1=5.6pf、C2=20pf、C6=可調10pf。
8、同樣焊接上C1、C2、C6,然后利用陶瓷螺絲到調整C6,觀察頻譜儀使得天線虛部為0,這樣50歐姆的天線就制作完成了。然后測試,那這個天線接收讀頭,實際測試距離可達8cm。注意:天線距離與天線半徑密切相關。
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