新型UHF RFID讀寫(xiě)模塊設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)是指通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)物體對(duì)射頻電磁場(chǎng)的擾動(dòng)而獲得其相關(guān)特征信息的一種探測(cè)技術(shù).經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，13.56 MHz以下的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而處于840~960 MHz的超高頻(Ultra High Frequency,UHF)RFID技術(shù)以讀取距離較遠(yuǎn).標(biāo)簽成本較低.讀取速率快等諸多優(yōu)勢(shì)而被廣泛關(guān)注.

　　1 超高頻RFID系統(tǒng)

　　一個(gè)典型的超高頻RFID 系統(tǒng)通常由讀寫(xiě)器.天線和標(biāo)簽3部分構(gòu)成，如圖1所示.其工作原理如下：讀寫(xiě)器首先通過(guò)天線向標(biāo)簽發(fā)射出電磁波，標(biāo)簽從電磁波中提取工作所需要的能量，電磁波遇到標(biāo)簽等目標(biāo)后并發(fā)生后向散射一部分電磁波到閱讀器，閱讀器接收解調(diào)后向散射電磁波信號(hào)以獲得標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息.它首先是一個(gè)雙向通信過(guò)程：一條鏈路為讀寫(xiě)器到標(biāo)簽的信號(hào)，另外一條鏈路為標(biāo)簽到讀寫(xiě)器的信號(hào)，只有兩條鏈路都獲得通信成功，RFID 才算完成了一次有效通信，因而RFID系統(tǒng)實(shí)際識(shí)別距離由最短的一條鏈路通信路徑距離決定.根據(jù)無(wú)線通信中的Friis傳輸公式：

　　式中：Pt 是發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率;Pr 是接收機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度;er 和et 分別是接收.發(fā)射天線的輻射效率;λ 是工作電磁波波長(zhǎng);R 是兩個(gè)設(shè)備之間的距離;Dr和Dt 分別是接收.發(fā)射天線的方向性(或者說(shuō)定向增益).通過(guò)計(jì)算，可以得出下面公式：

　　由此可見(jiàn)，在天線增益Gt 和Gr ,工作頻率fMHz 固定時(shí)，通信距離Rkm 取決于發(fā)射機(jī)功率和接收機(jī)靈敏度，這就是鏈路預(yù)算增加每增加6 dB 能夠改善一倍通信距離的理論根據(jù).

　　2 傳統(tǒng)讀寫(xiě)模塊面臨的問(wèn)題分析

　　作為RFID 整體解決方案硬件組成中的核心部件，超高頻讀寫(xiě)模塊射頻前端最典型的特征是收發(fā)同頻.同時(shí)，是一種不折不扣的自干擾射頻收發(fā)系統(tǒng).除了硬件自身的發(fā)射功率與接收靈敏度指標(biāo)外，由于天線端的駐波的客觀存在，引起的發(fā)射功率的反射波也直接影響著讀寫(xiě)距離的遠(yuǎn)近.這是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)功率遇到天線失配時(shí)的反射能量作為一種有害的干擾直接饋入到了接收機(jī)端，引起了接收機(jī)靈敏度的退化，進(jìn)而降低了讀寫(xiě)設(shè)備識(shí)別標(biāo)簽的實(shí)際距離，以Impinj 的Indy 芯片系列為例，其工作原理如圖2所示.

　　從圖2 中右下角的芯片廠家給出的測(cè)試數(shù)據(jù)表格可以看出，發(fā)射載波泄漏到接收機(jī)前端的能量大小對(duì)應(yīng)的接收機(jī)的實(shí)際靈敏度差異是比較大的.很明顯的一個(gè)規(guī)律：泄漏的能量越大，由于阻塞特性導(dǎo)致的接收靈敏度惡化就越嚴(yán)重.所謂阻塞，是指當(dāng)一個(gè)很強(qiáng)的信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)會(huì)使接收機(jī)前置放大器或混頻器過(guò)載至完全飽和而導(dǎo)致前端阻塞，這種干擾通常會(huì)阻止信號(hào)的接收.或者一個(gè)鄰近的信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)導(dǎo)致增益降低，這時(shí)接收機(jī)就好象不夠靈敏了，丟失了較弱的信號(hào)，而降低了較強(qiáng)信號(hào)的信噪比，從而使接收機(jī)的靈敏度降低.

　　而實(shí)際情況是，通常天線的工作帶寬是有限的，當(dāng)受到外界環(huán)境的影響，天線的駐波比會(huì)變差，此時(shí)發(fā)射機(jī)的實(shí)際工作頻段變得與天線阻抗不再匹配，PA 的輸出功率會(huì)由于天線的反射而經(jīng)由環(huán)形器(或者耦合器)饋入到讀寫(xiě)器的接收端，惡化讀寫(xiě)器的接收靈敏度，導(dǎo)致讀寫(xiě)器的識(shí)別距離變短.如果在多標(biāo)簽盤點(diǎn)場(chǎng)合，也會(huì)由于讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的鏈路余量降低，表現(xiàn)為讀寫(xiě)器的多標(biāo)簽處理能力減弱引起漏讀.

　　3 改進(jìn)型讀寫(xiě)模塊工作原理

　　針對(duì)前面所講的傳統(tǒng)讀寫(xiě)模塊的局限性，本文在仔細(xì)研究超高頻RFID讀寫(xiě)模塊射頻前端架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的.能夠有效減弱天線失配的技術(shù)方案.工作原理框圖如圖3所示.讀寫(xiě)模塊由CPU.射頻收發(fā)芯片.PA(功率放大器).耦合器.檢波器.天線調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò).電源管理電路.連接器.射頻接頭以及散熱片等主要部分構(gòu)成.

　　與傳統(tǒng)方案相比，該方案在天線與PA 之間增加了一個(gè)可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò).核心思想是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)天線的駐波來(lái)相應(yīng)調(diào)整阻抗網(wǎng)絡(luò)以保證耦合器對(duì)應(yīng)的輸出阻抗盡可能接近50 Ω，從而保證由于天線失配導(dǎo)致的反射能量足夠小，以至于對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響可以接近忽略.因而讀寫(xiě)模塊可以始終工作在最佳接收靈敏度狀態(tài)，保證了對(duì)標(biāo)簽可靠識(shí)別.圖4是通過(guò)電路建模仿真出的實(shí)際效果圖，從Smith 圓圖上可以看出，黑色的實(shí)心線表示的是在800~1 000 MHz 頻段范圍內(nèi)初始天線駐波對(duì)應(yīng)的阻抗值，以915 MHz為例，可以看出此時(shí)的復(fù)阻抗為36.858+j10.762,經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出，此時(shí)天線的駐波比對(duì)應(yīng)的回波損耗大約為-14 dB.

　　由圓點(diǎn)覆蓋的近似扇形區(qū)域?yàn)樽赃m應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋阻抗范圍，也就是說(shuō)只要在此范圍內(nèi)的均可通過(guò)調(diào)整元件值將天線的駐波調(diào)整到近似于1(對(duì)應(yīng)的是50 Ω阻抗)，此時(shí)的天線回波非常小近似于可忽略.

　　由前面圖1可以分析出：如果此時(shí)的天線駐波狀態(tài)很好的情況下，接收機(jī)的靈敏度主要受耦合器的隔離度影響.以R 2000 芯片為例，通過(guò)增加自適應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，可以使得接收靈敏度在傳統(tǒng)讀寫(xiě)模塊性能基礎(chǔ)上增加3 dB,經(jīng)理論計(jì)算可以改善40%的讀寫(xiě)距離.

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　測(cè)試條件：天線45 mm×45 mm×7 mm 陶瓷片天線，增益2 dBic;標(biāo)簽Impinj J41 標(biāo)簽;模塊輸出功率30 dBm.

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)采用自適應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的讀寫(xiě)器模塊不但在讀寫(xiě)距離上，而且在多標(biāo)簽盤點(diǎn)數(shù)量上都較傳統(tǒng)讀寫(xiě)模塊性能有較為明顯提升，見(jiàn)表1.與前面的理論分析相符合.