RFID系統射頻電路優化設計研究

王 爍

（天津科暢慧通信息技術有限公司，天津 300000）

RFID系統由于操作的便捷性已經在多種行業中得到應用，常見的如零售業、交通運輸業、生產流水線和防偽技術等都可應用RFID技術。為了提升RFID系統的性能，本文根據先局部后整體的優化思路進行電路優化，并在電路優化完成后對電路進行測試，將優化結果與設計值進行比較，從而實現對RFID系統射頻電路的優化設計。

1 RFID系統原理

RFID系統主要由讀寫器、控制裝置和標簽構成。讀寫器包括天線、射頻電路和數字電路。控制裝置通常為計算機。標簽包括存儲器、天線和收發機。

RFID系統中的標簽為數據載體，標簽中包括多種電子器件和線路，最終使標簽具有唯一的數字編碼。當標簽附著在物體上時，通過讀寫器能夠得到標簽中的唯一編碼，經過解調可以將編碼進行顯示或處理。標簽按照有無獨立電源供電可分為有源標簽和無源標簽，當前無源標簽使用范圍更加寬泛，而要讓標簽中的電子器件運行，讀寫器中的天線能夠為標簽提供能量，從而激活標簽中的電子芯片[1]。

RFID系統中讀寫器是通過天線進行信號的發送和接收，從而獲取標簽內的編碼，對于一些擁有寫入功能的讀寫器，還可以對標簽中的編碼進行修改。通常情況下，讀寫器都有數據連接插口，以將得到的數據傳輸到相應的控制裝置中。另外，對于RFID系統來說，高頻信號和低頻信號在電路設計中存在較大差異。以高頻系統為例，電路設計中涉及防碰撞技術、零中頻技術、天線技術等方面。

2 RFID系統射頻電路設計

2.1 發射電路設計

發射電路設計中包括調制器、耦合器、電源電路、頻率源和功率放大器電路設計，各電路設計方案如下：（1）頻率源。頻率源設計需要通過頻率合成實現，頻率合成有直接合成和間接合成兩種方式。從成本、信號質量方面考慮，最終決定使用間接合成方式。使用鎖相環可以實現頻率的間接合成。鎖相環的工作原理為一個反饋電路，通過誤差控制電壓實現對頻率的有效調整，并且在該系統中還設置了環路濾波器，進一步提升輸出信號的品質。（2）調制器。根據相關協議，需要保證前向鏈路的調制系數高于90%，同時波形動作時間不能高于35 μs，最終確定采用具有開關功能的功率放大器替代調制器，在放大信號的同時還能夠進行ASK調制[2]。（3）功率放大器。功率放大器設計中需要按照信號發射最遠距離進行設計，同時需要對放大器的體積進行合理選擇。（4）耦合器。耦合器的作用是當發射器中只有一個發射天線時，對發射信號和接收信號進行隔離，對于高頻信號來說，耦合器可使用微帶線實現功能。（5）電源電路。在電源電路設計中，為了保證發射信號質量，需要在線路中增加濾波電路，同時還需要增設穩壓管保證電源電壓的穩定性。

2.2 接收電路設計

接收電路為RFID系統線路設計的重點和難點，在接收電路設計中，需要對電路的解調原理、模糊點處理進行研究。另外接收電路設計時，在同一條微帶線上需要連接4個混頻二極管。本振信號和標簽回波信號經過其中兩個二極管形成的混頻電路，進行信號處理后，將信號輸入差分放大器，最終流經電壓比較器[3]。

2.2.1 解調原理

在本振信號和回收信號流經一個混頻電路時，兩個二極管上得到的信號分別為：

在這兩個方程中，A為信號強度，B(t)為調制信號，在信號解調過程中，需要保證，當這兩個信號在流經其中一個點處發生混頻后，最終輸出的信號會包括直流成分、零中頻成分、基波成分和高頻諧波成分。其中，零中頻成分由兩個信號的差頻產生，信號方程為：

該方程中c為一個常數，需要根據二極管確定，在進行信號處理時，需要將直流成分、基波成分和高頻諧波成分去除，得到的信號即為基帶信號。構建兩個二極管間距為微帶線長度的1/4，則可將本振信號和回波信號寫成：

在該方程中，e為常數，與二極管自身性質有關。對得到的兩個信號方程比較可知，兩個信號方程互為倒相，且這兩個信號都為解調信號。對這兩個信號進行放大后，讓信號通過電壓比較器即可得到解調信號。

2.2.2 模糊點

通過得到的解調信號方程可以發現，當a－b=0.5 π時解調信號輸出值為0，而a－b的值由讀寫器與標簽間的距離決

與之前的分析過程相似，最終得到另一點的輸出信號為：定，在RFID系統中將距離為0.5 π的位置稱為模糊點。在電路設計中，可以將本振信號與回波信號的相位設置為任意值，并按照上文的解調方法對信號方程進行處理，對于同一組二極管，將兩個解調信號相減，得到方程：

其中δ在確定的電路中為一個固定常數，另外通過上述方程可以找到方程的模糊點，要消除電路中模糊點對RFID系統的影響，需要在電路中增加解調電路，以消除電路中產生的模糊點，并且在該過程中需要確定增加的解調電路的位置，以解調電路中兩個二極管距離為微帶線長度的1/4為例，最終結果為：新增的解調電路與原有解調電路間距要滿足：，其中λ為微帶線長度。

3 RFID系統射頻電路優化

3.1 混頻器優化

在RFID系統中，混頻器發揮重要作用，所以需要對混頻器進行優化，在實際電路構建時，通常在混頻二極管與微帶線間設置電容。這種結構能夠防止微帶線中的直流電流通過二極管，對信號產生一定影響。同時通過設置電容，也能保證讀寫器中發射信號的強度。對于混頻器中二極管的選擇原則為截止頻率不低于本振頻率的10倍，并且與之串聯的電阻需要保證低阻。其中電容的確定公式為：

該方程中，f為截止頻率，R為與二極管串聯的電阻阻值，在根據該公式選取相應的電子元件后，通過建模仿真的方式對電路進行測試。結果表明，本振頻率不會對混頻器的變頻增益產生重大影響，而電容的加入會對變頻增益產生較大影響，并且通過建模仿真過程還可以找到變頻增益最大時對應的電容值。另外，增加電容后，微帶線的本振信號和回波信號衰減值會大幅下降，表明本振信號能夠被很好地利用。

3.2 混頻管間距優化

通過前文可以發現，混頻器中二極管的間距會對信號的接收造成較大影響。為了能夠充分提升信號的強度，需要對二極管的間距進行優化設計。要達到這一目的，需要保證差模信號幅度獲得充分提升，即求的最大值。由于該方程中a，b，δ為已知常數，故而只需要求取方程右端前半段的最大值即可，其中c，h為絕對值相同的已知常數。通過對方程最大值的求解，可以發現，當方程中時，方程將取得最大值。體現在RFID系統的電路中，即混頻二極管間距為微帶線長度的1/4時，取得最大的差模信號幅度。

3.3 帶通濾波器優化

帶通濾波器的最終目的是得到較為純凈的零中頻信號，在帶通濾波器優化過程中，首先需要計算零中頻碼的頻譜，其次設計相應的電路實現所需功能。在帶通濾波器優化過程中，使用時域仿真器進行時域信號的傅里葉變換，得到的結果表明，頻譜雖然無限長，但功率集中在1 MHz范圍內，在32 kHz左右功率達到最大，所以在帶通濾波器優化中，應保證濾波器通帶處于20 kHz～1 MHz范圍之內。在進行濾波電路設計時，需要盡量降低濾波電路的體積，同時還要考慮不同電路的制造成本。在進行電路設計和構建后對最終結果進行測試，結果表明優化后的帶通濾波器能夠充分發揮應有作用。

3.4 工作頻率優化

在讀寫器使用過程中，手機與讀寫器的工作頻段存在重疊部分，這會產生同頻干擾，所以需要對工作頻率進行優化，降低干擾現象的發生概率。工作頻率優化中最主要的方式為跳頻優化方式。這種優化方式的原理是將讀寫器的工作頻率進行定期隨機改變，而且由于標簽的能量來源為讀寫器，所以在采用跳頻優化方式時，不需要對標簽部分進行重新設計。另外對于同一區域內有多個讀寫器運行的情況，需要通過控制系統將讀寫器的工作頻率進行合理劃分，并使讀寫器在相應的頻段范圍內跳頻，避免同頻干擾現象的發生。

3.5 模糊點消除

通過電路設計過程可以發現，當RFID系統中只存在一個解調器時，系統運行中會生成模糊點，影響設備使用，所以需要在電路中設置另一個解調器，以消除模糊點，設計的最終目的為確定微帶線上兩個解調器間距。本文設計的電路中，解調器的兩個二極管間距為微帶線長度的1/4，在此基礎上計算得到，要對模糊點進行消除，兩個解調器間距應滿足條件：

通過對構建電路的建模仿真可以發現，當電路中的兩個解調器符合計算該間距要求時，讀寫器使用過程中將不會出現模糊點。

4 結語

綜上所述，RFID系統電路設計中，需要對讀寫器和標簽系統進行重點設計，其中讀寫器電路設計較為復雜，需要在了解相關原理的情況下設計。電路優化過程中，將主要對混頻器電路、混頻管間距、帶通濾波器和工作頻率進行優化。同時，在接收電路設計中，通過解調電路間距的合理設計會消除模糊點，保證RFID系統的正常穩定運行。