一種新型UHF RFID讀寫模塊的研制

摘 要： 傳統的超高頻RFID讀寫模塊一般都會對天線駐波比較敏感，當天線回波過大時將導致發射機輸出功率泄漏到接收機中能量較多而引起阻塞現象，進而使讀寫器性能惡化。在此描述了一種新型超高頻讀寫模塊的電路設計，通過在天線與耦合器之間嵌入一種閉環可調諧匹配網絡，有效解決了天線駐波失配情況下導致接收機性能蛻化的現象。實驗結果證明采用這種新型模塊的讀寫器無論從讀寫距離還是多標簽處理性能上都獲得了較大提升，達到了預期的效果。

關鍵詞： 超高頻； 射頻識別； 阻塞； 靈敏度； 駐波比

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0068?03

0 引 言

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是指通過檢測目標物體對射頻電磁場的擾動而獲得其相關特征信息的一種探測技術[1]。經過多年的發展，13.56 MHz以下的技術已經相對成熟，而處于840～960 MHz的超高頻（Ultra High Frequency，UHF）RFID技術以讀取距離較遠、標簽成本較低、讀取速率快等諸多優勢而被廣泛關注。

1 超高頻RFID系統

一個典型的超高頻RFID系統通常由讀寫器、天線和標簽3部分構成，如圖1所示。其工作原理如下：讀寫器首先通過天線向標簽發射出電磁波，標簽從電磁波中提取工作所需要的能量，電磁波遇到標簽等目標后并發生后向散射一部分電磁波到閱讀器，閱讀器接收解調后向散射電磁波信號以獲得標簽的數據信息[2]。它首先是一個雙向通信過程：一條鏈路為讀寫器到標簽的信號，另外一條鏈路為標簽到讀寫器的信號，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系統實際識別距離由最短的一條鏈路通信路徑距離決定。根據無線通信中的Friis傳輸公式[3]：

[PtPr=eretλ4πR2DrDt] （1）

式中：[Pt]是發射機的發射功率；[Pr]是接收機的接收信號強度；[er]和[et]分別是接收、發射天線的輻射效率；[λ]是工作電磁波波長；R是兩個設備之間的距離；[Dr]和[Dt]分別是接收、發射天線的方向性（或者說定向增益）。通過計算，可以得出下面公式：

[Pr（dBm）=Pt（dBm）+Gt（dB）Gr（dB）- 20lg（fMHZRkm）-32.441 8] （2）

由此可見，在天線增益[Gt]和[Gr]，工作頻率[fMHz]固定時，通信距離[Rkm]取決于發射機功率和接收機靈敏度，這就是鏈路預算增加每增加6 dB能夠改善一倍通信距離的理論根據[4]。

2 傳統讀寫模塊面臨的問題分析

作為RFID整體解決方案硬件組成中的核心部件，超高頻讀寫模塊射頻前端最典型的特征是收發同頻、同時，是一種不折不扣的自干擾射頻收發系統。除了硬件自身的發射功率與接收靈敏度指標外，由于天線端的駐波的客觀存在，引起的發射功率的反射波也直接影響著讀寫距離的遠近。這是因為發射機功率遇到天線失配時的反射能量作為一種有害的干擾直接饋入到了接收機端，引起了接收機靈敏度的退化，進而降低了讀寫設備識別標簽的實際距離，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試數據表格可以看出，發射載波泄漏到接收機前端的能量大小對應的接收機的實際靈敏度差異是比較大的。很明顯的一個規律：泄漏的能量越大，由于阻塞特性導致的接收靈敏度惡化就越嚴重。所謂阻塞，是指當一個很強的信號進入接收機時會使接收機前置放大器或混頻器過載至完全飽和而導致前端阻塞，這種干擾通常會阻止信號的接收?；蛘咭粋€鄰近的信號進入接收機導致增益降低，這時接收機就好象不夠靈敏了，丟失了較弱的信號，而降低了較強信號的信噪比，從而使接收機的靈敏度降低[5]。而實際情況是，通常天線的工作帶寬是有限的，當受到外界環境的影響，天線的駐波比會變差，此時發射機的實際工作頻段變得與天線阻抗不再匹配，PA的輸出功率會由于天線的反射而經由環形器（或者耦合器）饋入到讀寫器的接收端，惡化讀寫器的接收靈敏度，導致讀寫器的識別距離變短。如果在多標簽盤點場合，也會由于讀寫器與標簽之間的鏈路余量降低，表現為讀寫器的多標簽處理能力減弱引起漏讀。

3 改進型讀寫模塊工作原理

針對前面所講的傳統讀寫模塊的局限性，本文在仔細研究超高頻RFID讀寫模塊射頻前端架構的基礎上，提出了一種新穎的、能夠有效減弱天線失配的技術方案。工作原理框圖如圖3所示。讀寫模塊由CPU、射頻收發芯片、PA（功率放大器）、耦合器、檢波器、天線調諧匹配網絡、電源管理電路、連接器、射頻接頭以及散熱片等主要部分構成。

與傳統方案相比，該方案在天線與PA之間增加了一個可調阻抗匹配網絡。核心思想是通過實時檢測天線的駐波來相應調整阻抗網絡以保證耦合器對應的輸出阻抗盡可能接近50 Ω，從而保證由于天線失配導致的反射能量足夠小，以至于對接收機靈敏度的影響可以接近忽略。因而讀寫模塊可以始終工作在最佳接收靈敏度狀態，保證了對標簽可靠識別。圖4是通過電路建模仿真出的實際效果圖，從Smith圓圖上可以看出，黑色的實心線表示的是在800～1 000 MHz頻段范圍內初始天線駐波對應的阻抗值，以915 MHz為例，可以看出此時的復阻抗為36.858+j10.762，經過計算可以得出，此時天線的駐波比對應的回波損耗大約為-14 dB。

由圓點覆蓋的近似扇形區域為自適應可調匹配網絡的有效覆蓋阻抗范圍，也就是說只要在此范圍內的均可通過調整元件值將天線的駐波調整到近似于1（對應的是50 Ω阻抗），此時的天線回波非常小近似于可忽略。

由前面圖1可以分析出：如果此時的天線駐波狀態很好的情況下，接收機的靈敏度主要受耦合器的隔離度影響。以R 2000芯片為例，通過增加自適應可調匹配網絡，可以使得接收靈敏度在傳統讀寫模塊性能基礎上增加3 dB，經理論計算可以改善40%的讀寫距離。

4 結 語

測試條件： 天線45 mm×45 mm×7 mm陶瓷片天線，增益2 dBic；標簽Impinj J41標簽；模塊輸出功率30 dBm。

通過實驗對比測試，可以發現采用自適應可調匹配網絡的讀寫器模塊不但在讀寫距離上，而且在多標簽盤點數量上都較傳統讀寫模塊性能有較為明顯提升，見表1。與前面的理論分析相符合。

表1 傳統模塊與新型模塊的對比測試數據

參考文獻

[1] 范志廣.超高頻射頻識別（RFID）中的若干問題研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[2] FAN Z G， QIAO S， RAN L X. Signal descriptions and formulations for long range UHF RFID readers [J]. Progress In Electromagnetics Research， 2007， 71： 109?127.

[3] [美]MISRA D K.射頻與微波通信電路：分析與設計[M].張肇儀，譯.北京：電子工業出版社，2012.

[4] [美]RAPPAPORT T S.無線通信原理與應用[M].蔡濤，譯.北京：電子工業出版社，2009.

[5] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京：科學出版社，2009.

[6] 駱斌.基于RFID高頻技術的洗衣管理系統[J].電子科技，2011（5）：23?25.