一種RFID電子卡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID技術(shù)有別于傳統(tǒng)意義的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它在使用過程中已逐漸顯示其優(yōu)越性，正成為IT業(yè)主要發(fā)展趨勢(shì)之一。RFID技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，在國內(nèi)外的汽車安全管理及自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)領(lǐng)域中，RF1D技術(shù)應(yīng)用比較成功。目前，汽車的使用越來越普遍，汽車數(shù)量也正在呈幾何級(jí)數(shù)增長。對(duì)于汽車的管理問題，已成為擺在人們面前的一個(gè)刻不容緩的急迫問題。如何對(duì)汽車進(jìn)行管理，如何提高管理的效率，這一系列問題顯得越來越突出。RF1D 電子卡被應(yīng)用于汽車的身份識(shí)別及其自動(dòng)收費(fèi)管理系統(tǒng)中，有助于一系列車輛管理問題的解決。

　　RFID電子卡載波幅度調(diào)制電路采用常用的三點(diǎn)式LC諧振電路，隨著載波頻率點(diǎn)的提高，LC諧振電路工作時(shí)，參數(shù)的不匹配會(huì)導(dǎo)致RFID電子卡產(chǎn)生載波頻率點(diǎn)漂移、偏移以及其它頻率波的產(chǎn)生，在某些特定的環(huán)境中，這種載波頻率點(diǎn)漂移、偏移以及雜波的產(chǎn)生甚至?xí)?dǎo)致RFID電子卡不能有效的工作。通過分析這些存在穩(wěn)定性問題的RFID電子卡，得出導(dǎo)致RFID電子卡工作不穩(wěn)定的各種因素，從而有利于對(duì)存在問題的RFID電子卡參數(shù)進(jìn)行修改、調(diào)整及其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

　　最后，給出了部分改進(jìn)后的RFID電子卡印刷板電路。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的RFID電子卡，其穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，基本上可以滿足在各種場(chǎng)合下對(duì)汽車管理提出的穩(wěn)定性要求。

　　1 RFID電子卡的工作原理及實(shí)現(xiàn)

　　1．1 RFID電子卡的工作原理

　　在采用RFID電子卡參于管理的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)中，在停車場(chǎng)的出入口都配有RFID 電子卡閱讀器。閱讀器會(huì)實(shí)時(shí)不間斷地發(fā)送喚醒RFID 電子卡的特定信號(hào)，汽車在經(jīng)過停車場(chǎng)出人口時(shí)，汽車攜帶的RFID電子卡就會(huì)被這種特定信號(hào)喚醒，標(biāo)識(shí)汽車ID身份的RFID電子卡就會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，把標(biāo)識(shí)自己唯一的ID號(hào)通過無線信號(hào)發(fā)送出去，停車場(chǎng)出人口閱讀器接收到RFID電子卡發(fā)出的ID號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)RFID電子卡的合法性進(jìn)行判斷，如果合法，就允許配有該RFID電子卡的車輛正常出入，否則將進(jìn)行攔截，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出停車場(chǎng)車輛的有效管理。RFID電子卡與閱讀器之間的通信工作原理圖如圖1所示。

圖1 RFID電子卡的工作原理及硬件實(shí)現(xiàn)框圖

　　1．2 RFID電子卡的硬件實(shí)現(xiàn)

　　該RFID 電子卡的硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，RFID電子卡由喚醒信號(hào)接收電路、收發(fā)信號(hào)處理電路、載波幅度調(diào)制電路、無線數(shù)據(jù)發(fā)射電路和天線五部分組成。其中載波幅度調(diào)制電路是影響RFID電子卡的穩(wěn)定性的主要因素，下面詳細(xì)分析載波幅度調(diào)制電路。

　　1．2．1 RFID電子卡載波幅度調(diào)制電路

　　RFID電子卡的載波幅度調(diào)制電路是通過三點(diǎn)式LC振蕩電路和數(shù)據(jù)信號(hào)的加載電路兩部分組成。載波幅度調(diào)制電路如圖2所示。

圖2 載波幅度調(diào)制電路

　　其中，三點(diǎn)式LC諧振電路采用是科爾皮茲式振蕩電路，振蕩電路采用LC并聯(lián)諧振，聲表諧振器J1產(chǎn)生433．9MHz的高頻反饋，起到穩(wěn)固頻率作用。這種電路的優(yōu)點(diǎn)：振蕩的波形較好，振蕩的頻率較高。缺點(diǎn)：頻率調(diào)整困難。

圖3 載波幅度調(diào)制電路的關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)圖

　　圖2中高頻聲表諧振器J1的3個(gè)端口分別為引腳1、引腳2和接地端，它產(chǎn)生433．9MHz高頻波。其中通過示波器觀察引腳1處時(shí)序波形如圖3 (b) 所示， 高頻管J2放大433．9MHz的高頻信號(hào)，使高頻載波信號(hào)具有一定的發(fā)射功率。數(shù)據(jù)處理電路中的數(shù)據(jù)信號(hào)控制三極管J3的基電極導(dǎo)通或者截止，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻載波信號(hào)的幅度調(diào)制，J3基極的信號(hào)波形如圖3(a)所示。高頻信號(hào)幅度調(diào)制后的信號(hào)波形如圖3(c)所示。電感L1和L2采用銅制漆包導(dǎo)線繞制而成的螺旋繞制電感，電感L2防止高頻載波對(duì)電源的短路，同時(shí)也起到濾波的作用，LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為：

 (1)

      (1)式中，C為C 的電容量，L為L 的電感量， 為高頻管的集電極與發(fā)射極之間的結(jié)電容，廠為振蕩電路的振蕩頻率。

　　2 載波頻率點(diǎn)漂移、偏移和雜波產(chǎn)生的分析

　　2．1 RFID電子卡載波頻率點(diǎn)漂移和偏移

　　采用頻譜儀進(jìn)行分析，RFID 電子卡工作穩(wěn)定時(shí)， 中心頻率點(diǎn)為單一、固定的頻率433．9MHz，如圖4所示。

圖4 RFID電子卡的正常工作頻譜

　　RFID 電子卡載波頻率點(diǎn)漂移， 其工作頻率點(diǎn)以433．9MHz為起點(diǎn)隨機(jī)漂移到其它頻率點(diǎn)，如圖5所示，載波頻率點(diǎn)從中心頻率433．9MHz動(dòng)態(tài)移動(dòng)到其它的頻率點(diǎn)。

圖5 載波頻率點(diǎn)偏移、漂移的典型頻譜

　　RFID電子卡載波頻率點(diǎn)偏移，載波頻率點(diǎn)在頻譜圖上不是動(dòng)態(tài)的移動(dòng)，而是由中心頻率433．9MHz頻率點(diǎn)改變?yōu)殡S機(jī)固定的頻率點(diǎn)，可以觀察頻率點(diǎn)偏移的現(xiàn)象類似如圖5所示。

　　2．2 RFID電子卡載波頻率點(diǎn)漂移和偏移的原因

　　(1)在RFID電子卡的印刷電路板上，螺旋繞制電感容易發(fā)生形變，形變的結(jié)果會(huì)使螺旋繞制電感的參數(shù)發(fā)生變化。電感L2的電感量變?yōu)長 ，RFID 電子卡的載波頻率點(diǎn)由公式(2)決定。

(2)

      (2)螺旋繞制電感容易產(chǎn)生寄生電容E ，在RFID電子卡電路中，寄生電容的產(chǎn)生就會(huì)改變LC振蕩電路的固有參數(shù)。寄生電容與IC諧振電路的電容相并聯(lián)， 整個(gè)LC諧振電路的電容就會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)諧振電路的諧振頻率由公式(3)決定。

(3)

      (3)LC振蕩電路的螺旋繞制電感L2安裝離印刷電路板太高，如圖2所示，L2的底平面和印刷電路板沒有相切，就會(huì)增大了LC振蕩電路的面積，LC振蕩電路面積的擴(kuò)大，如受聲表諧振器高頻輻射機(jī)會(huì)增加，載波頻率點(diǎn)就容易漂移。高頻印刷板電路產(chǎn)生的差模輻射電場(chǎng)強(qiáng)度和共模輻射電場(chǎng)強(qiáng)度分別依據(jù)公式(4)和公式(5)。

(4)

　　式(4) 中的參數(shù)： 回路電流I，電流回路面積A，工作頻率廠，離輻射源的距離D

(5)

　　式(5) 中的參數(shù)：共模干擾電流J， 電纜的長度L，工作頻率廠，離輻射源的距離D。

　　(4)電池在電池槽中的位置歪斜，可能出現(xiàn)電路時(shí)斷時(shí)通，電源的不穩(wěn)定會(huì)引起頻率點(diǎn)漂移。

　　(5)在高頻電路中， 電感的感抗隨溫度變化，不同材料的螺旋繞制電感，其電感感抗隨溫度的變化也不同，引起的振蕩頻率依據(jù)公式(2)。

　　2．3 RFID電子卡載波頻率點(diǎn)偏移及雜波的出現(xiàn)

　　2．3．1 電子卡存在雜波和頻率點(diǎn)偏移

　　實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，RFID電子卡通訊出現(xiàn)時(shí)有時(shí)無，距離越來越短，電池電量相對(duì)消耗快。RFID 電子卡除了產(chǎn)生有用的載波頻率之外，同時(shí)還伴隨其它頻率波的產(chǎn)生，實(shí)際頻譜類似如圖6所示。

圖6 RFID電子卡頻譜中夾雜有雜波

　　實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)不能通訊的RFID電子卡，存在載波頻率點(diǎn)發(fā)生偏移的同時(shí)，還伴隨有其它頻率波的產(chǎn)生，這些雜波出現(xiàn)的現(xiàn)象跟如圖6所示的雜波類似。

　　2．3．2 電子卡頻率點(diǎn)偏移并伴隨雜波產(chǎn)生的原因

　　(1)RFID電子卡載頻波中夾雜有其它頻率波， 主要是LC振蕩電路中的螺旋繞制電感L2形狀嚴(yán)重發(fā)生形變，導(dǎo)致其螺旋電感參數(shù)發(fā)生變化，比如實(shí)際中常存在螺旋繞制電感線圈的長度拉長，螺旋繞制電感線圈的間距不等，存在寄生電容、電感。一個(gè)環(huán)路滿足公式(6)，并且在環(huán)路中包含有寄生電容、電感組成的LC諧振電路，就會(huì)產(chǎn)生振蕩，就會(huì)有其它頻率波的產(chǎn)生，這就是寄生振蕩的緣故。 
      ︱AF ︱≥ 1       (6)
　　其中公式(6)的A表示振蕩環(huán)路的放大系數(shù)，F(xiàn)表示振蕩環(huán)路的反饋系數(shù)。

　　(2)對(duì)于焊接后焊盤上的聚集焊錫形狀應(yīng)為圓錐型，多余的引線剪切位置如有尖銳毛刺，在RFID電子卡電路中，這些毛刺存在分布電容、電感，如果滿足隨機(jī)寄生振蕩的條件，也會(huì)導(dǎo)致其它頻率波的產(chǎn)生。由于這種原因存在RFID電子卡工作時(shí)隨機(jī)出現(xiàn)不同頻率的雜波。

　　(3)載波頻率點(diǎn)偏移的同時(shí)伴隨有其它頻率波的產(chǎn)生，其實(shí)是由引發(fā)載波頻率點(diǎn)偏移的因素和引發(fā)寄生振蕩因素共同作用的結(jié)果。

　　3 載波幅度調(diào)制電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　3．1 載波幅度調(diào)制電路改進(jìn)的原理

　　RFID電子卡出現(xiàn)的不穩(wěn)定，如載波頻率點(diǎn)漂移、偏移以及其它頻率波的產(chǎn)生，RFID電子卡敏感器件容易受實(shí)際工作環(huán)境因素的影響，這些都會(huì)使RFID電子卡不能充分發(fā)揮其功能。載波幅度調(diào)制電路的改進(jìn)如圖7所示。

圖7 載波幅度調(diào)制電路的改進(jìn)

　　其中，電感L1是在印刷電路板制作的微帶線，電阻R。替代原來的電感。電容C₁ 起到調(diào)節(jié)振蕩回路參數(shù)的作用，聲表諧振器J1通過反饋，起到穩(wěn)定頻率的作用。電容C₁ 、電容C₁ 以及電感L1構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。經(jīng)過改進(jìn)RFID電子卡的載波幅度調(diào)制電路，RFID電子卡工作頻譜正常，達(dá)到了需要的性能指標(biāo)，三極管J3的基極的波形如圖3 (a)所示，集電極的波形如圖8所示。

圖8 載波調(diào)制電路改進(jìn)后的關(guān)鍵點(diǎn)波形

　　3．2 替代螺旋繞制電感的微帶線

　　RFID電子卡上的螺旋繞制電感易受到諸多因素影響，又由于微帶線受影響的因素小，采用在印刷電路板上制作微帶線來代替螺旋繞制電感，下面是RFID電子卡微帶線具體設(shè)計(jì)。微帶線電感的長度選擇： 當(dāng)時(shí)，z為感性，當(dāng)L時(shí)，Z為容性，且Z與頻率呈非線形關(guān)系，其中k 為微帶線上的波長。RFID電子卡的載波頻率為433．9 MHz，微帶線電感的長度，實(shí)際選擇的長度為L=85．26 mm 。

　　微帶線的特性阻抗z₀的計(jì)算公式為：

      式(7)中為自由空間的波阻抗，為空氣介電常數(shù)，w為微帶線的寬度，h為微帶線離地的高度，為印刷電路板的介電常數(shù)，t為微帶線實(shí)際的厚度，如圖9中實(shí)際微帶線的結(jié)構(gòu)。

圖9 微帶線在印刷電路板上的截面圖

　　長度為z的終端短路微帶線阻抗為：

　　式中，Z_C 為微帶線的特性阻抗；為微帶線的電導(dǎo)，L為微帶線的長度。
　　與頻率相關(guān)的電感感抗公式：
　　Z=jwL 由公式(10)和(11)可得出電感量L，然后帶入公式(1)，得出振蕩電路選擇電容的電容量。從而實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。

圖10 微帶線的印刷板圖

　　印刷電路板上的電感L1由微帶線替代， 電阻R₃代替電感，效果圖如圖10所示， 印刷電路板的厚度為1．05ram，微帶線的寬度1．24mm．微帶線的實(shí)際長度為85．26mm。

　　4 RFID電子卡主要指標(biāo)的提升

　　(1)傳輸距離：通過實(shí)際對(duì)比改進(jìn)前后測(cè)量RFID 電子卡的傳輸距離，RFID電子卡傳輸?shù)挠行Ь嚯x由原來的8～9m提高到13～15m。

　　(2)使用壽命：改進(jìn)后的電路功耗明顯降低，使用相同電量的電池，改進(jìn)后的RFID電子卡使用壽命延長1年。

　　(3)穩(wěn)定性：改進(jìn)后的RFID電子卡消除了載波頻率點(diǎn)漂移、偏移及雜波的出現(xiàn)。

　　(4)成本降低：改進(jìn)后的RFID電子卡上不再使用螺旋繞制電感， 電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比好。

　　5 實(shí)驗(yàn)與總結(jié)

　　通過分析RFID 電子卡不穩(wěn)定的各種因素，重新設(shè)計(jì)RFID電子卡載波幅度調(diào)制電路，消除了RFID 電子卡載波頻率點(diǎn)偏移、漂移以及其它頻率波的產(chǎn)生，RFID 電子卡的穩(wěn)定性效果明顯增強(qiáng)，這對(duì)目前RFID電子卡穩(wěn)定性問題的解決具有實(shí)際意義。