13.56Mhz下50欧姆阻抗匹配简易教程

阻抗匹配(impedance matching) 主要用于传输线上,以此来达到所有高频微波信号均能传递至负载点的目的,而且几乎不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同,或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同,分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态,简称为阻抗匹配。

以前调试天线匹配参数,由于没有仪器,所有数据都是经过计算出来的,所以天线的参数可能始终不是最佳的,现在有了频谱分析仪,所有工作都变的简单了,下面介绍利用频谱分析仪结合史密斯圆图工具来调试天线,使天线性能尽量达到最佳。

1、首先介绍下整套读卡系统:分为读头与天线,这两个是长距离匹配的。读头已经调试好了,使用的是PN512射频芯片。对外的射频座子采用的是SMA头的座子,已经达到了50欧姆的阻抗,中间采用50欧姆的同轴电缆相连,所以我们需要做的就是把天线的输入阻抗调试到50欧姆,而下面的步骤也是为了这个目标。

2、知道了需要匹配50欧姆阻抗后,现在来了解下天线的频率,这里的应用一般都是TypeA类的卡片,载波频率为13.56Mhz。也就是说,在13.56Mhz下,读头与天线间的整个通路阻抗需要为50欧姆。下面是天线的原理图:其中C1、C2、C3、C4均为固定值的电容,C6、C5为可调电容。电容材料一般为COG或NPO的,为了减少温飘,R1为串联电阻。匹配的主要目标就是更改这个几个值来达到:在13.56M下,从SMA端看天线阻抗为50欧姆。

3、接下来正式开始介绍调试步骤,首先需要测试裸天线的参数:C3、C4、C5均不接,C1、C2、C6均短路连接,R1短路连接。利用频谱分析仪测试出在1Mhz下的裸天线的参数:La  = 1050nH。13.56Mhz下的天线串联电阻Ra = 1.63欧姆。

4、计算品质因素,对于读卡器的应用,一般品质因素范围在35左右,具体原因没研究过。品质因素理解为电感分到的功率,品质因素越大,电流越大。具体计算公式为Q = wL/R,为了达到Q=35左右的值,所以需要增加天线的串联电阻来得到符合的Q值,L值和原始串联电阻已经在第三步中测量出来了,La=1050nH,Ra = 1.63欧姆,所以我这里取再增加1.5欧姆的附加电阻,来使得Q值为28.5左右。

 5、取R1=1.5欧姆,其余电容还是按照3的步骤不变,焊接完R1后,接着利用频谱分析仪测量13.56Mhz下的天线的实部与虚部。测得此时天线实部为3.17。虚部为105.56。我们的目标是使得虚部为0,实部为50。

6、接着我们使用史密斯圆图工具来达到我们的目标。首先输入原始点 Z = 3.170+105.560j,可以看到TP1点在圆图的上方,也就是呈现感性。我们先调试并联电容(串联电容在高频下对实部基本没有影响)使得实部的值为50,取电容值的时候发现,使实部达到50的电容有两组,一组在圆图的上方,一组在圆图的下方,而且是对称的,我们选择圆图的上方这一组,因为后面调虚部时加是容性的电容,如果取下方的这一组,那么后面虚部将调不到0。可以看到我们取的并联电容值为83.3pf,当然这个值的电容是不存在的,所以就需要挑选合适的C3、C4、C5。为了满足上下范围可调,所以取C3=68pf、C4=5.6pf、C5=可调20pf。

7、按照第6部取得的值焊接上C3、C4、C5,并且利用陶瓷螺丝刀调整C5使得实际天线的实部达到50。接着继续看串联电容,还是利用史密斯圆图工具,得出串联的电容值为28.2pf。同样,为了满足上下范围可调,所以取C1=5.6pf、C2=20pf、C6=可调10pf。

8、同样焊接上C1、C2、C6,然后利用陶瓷螺丝到调整C6,观察频谱仪使得天线虚部为0,这样50欧姆的天线就制作完成了。然后测试,那这个天线接收读头,实际测试距离可达8cm。注意:天线距离与天线半径密切相关。

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