超高頻RFID讀寫器射頻電路設(shè)計(jì)

王 爍

（天津科暢慧通信息技術(shù)有限公司，天津 300000）

RFID技術(shù)，目前應(yīng)用在IC卡、磁卡、條碼、攝像等自動(dòng)識別技術(shù)中。在其應(yīng)用的過程中，充分展現(xiàn)了其自身的優(yōu)勢：非接觸操作，不會(huì)產(chǎn)生人為因素的干擾；不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損的現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；能夠識別高速運(yùn)行的物體，或者同時(shí)識別不同的電子標(biāo)簽；讀寫器不對用戶直接開放，可以確保信息的安全性；部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)算法管理；標(biāo)簽、讀寫器之間可以相互認(rèn)證，完成信息的存儲、通信。

1 超高頻RFID讀寫器射頻電路仿真

1.1 發(fā)送系統(tǒng)仿真

結(jié)合讀寫器發(fā)送電路的基本原理，本文對其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

（1）信號瞬態(tài)仿真。以ADS射頻仿真軟件為依托，構(gòu)建瞬態(tài)仿真平臺，對發(fā)送信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)仿真。通過這一方式，讀寫器發(fā)送端對基帶信號進(jìn)行了99%深度系數(shù)的調(diào)制，且最終的結(jié)果符合相關(guān)的要求。

（2）發(fā)送系統(tǒng)包絡(luò)仿真。電路包絡(luò)仿真是當(dāng)前通信行業(yè)的關(guān)鍵指標(biāo)，對任何高頻信號都能夠進(jìn)行分解處理。所以，采用包絡(luò)仿真對RFID讀寫器進(jìn)行及時(shí)仿真，載波包絡(luò)仿真的結(jié)果并沒有發(fā)生失真的現(xiàn)象。

（3）相位噪聲仿真。鎖相環(huán)頻率合成器，在運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的噪音，其影響著讀寫器射頻電路的性能。對此，同樣使用ADS仿真軟件，依據(jù)其振動(dòng)的頻率，進(jìn)行相位噪聲仿真，以便于掌握相位噪聲所產(chǎn)生的影響。基于仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相位噪聲滿足RFID射頻電路的性能要求。

1.2 接收系統(tǒng)仿真

在超高頻RFID讀寫器中，其射頻接收電路，使用雙通道零中射頻接收體系。依據(jù)ISO18000-6C的要求，本文對射頻電路的接受系統(tǒng)，進(jìn)行ADS仿真設(shè)計(jì)。

（1）頻帶選擇性仿真。讀寫器、標(biāo)簽之間的通信頻率，通常在860～960 MHz，加之國家的相關(guān)規(guī)定，860～960 MHz頻段的RDIF技術(shù)，通常會(huì)使用920～925 MHz或者840～845 MHz的頻率。為了能夠保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，滿足國家頻段劃分、國際頻段劃分的雙重要求，需要將頻段定在902～928 MHz。然后通過ADS仿真軟件對其進(jìn)行仿真，同時(shí)將Chebyshev濾波器應(yīng)用其中。結(jié)果顯示：選擇恰當(dāng)?shù)臑V波器，能夠避免外界所產(chǎn)生的干擾。

（2）信道選擇性仿真。ISO18000-6C對密集讀寫器信號鄰道的干擾，進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，即小于-30 dBch。讀寫器接收端信道功能，需要利用濾波器進(jìn)行完成，并對仿真的參數(shù)、指標(biāo)進(jìn)行確定。結(jié)合仿真的原理與結(jié)果，會(huì)在915 MHz的位置增益9.5 dB，且為最大增益；而在914.6 MHz的位置，增益為-38 dB。所以，讀寫器接收信道外衰弱大于40 dBm，符合相關(guān)的規(guī)定[1]。

（3）諧波仿真。就ADS諧波仿真來說，其功能主要表現(xiàn)在兩方面，即詳細(xì)描述接收機(jī)頻譜搬移特性、觀察諧波的干擾與雜散抑制。在接收系統(tǒng)中，其頻率為915 MHz，功率設(shè)定為-3 dBm。同時(shí)，將接收信號的頻率設(shè)定為915.1 MHz，而功率為-20 dBm。通過對系統(tǒng)的仿真，對接收信號進(jìn)行觀察等，進(jìn)行詳細(xì)的觀察、分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果符合國際規(guī)定，同時(shí)減少了對信號的不良干擾。

（4）瞬態(tài)仿真。基于ADS射頻仿真，將讀寫器的接收信號設(shè)定為OOK調(diào)制信號，同時(shí)其載波的頻率為915 MHz。經(jīng)過仿真載波信號會(huì)經(jīng)歷變形，但是最終的結(jié)果證明了系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可行性。

（5）增益預(yù)算仿真。為了掌握系統(tǒng)各部分的增益情況，同樣能夠采用ADS增益預(yù)算仿真技術(shù)，完成對分析平臺的仿真。最終測試的結(jié)果顯示：如果使用濾波器，其增益為-2 dB，而噪聲放大器所獲取的增益，實(shí)際上為15 dB。通過預(yù)算增益圖能夠發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的具體增益，便于工作人員進(jìn)行更加合理的分配。

2 超高頻RFID讀寫器射頻電路PCB設(shè)計(jì)

2.1 焊盤設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)中，超高頻RFID讀寫器射頻電路的焊盤，其設(shè)計(jì)方式主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

（1）PAD設(shè)計(jì)。PAD屬于元件的物理焊盤，其在設(shè)計(jì)的過程中，如果此時(shí)為正片層，就需要通過Regular pad完成連接。反之，如果此時(shí)為負(fù)片層，就需要通過Thermal relief完成連接，同時(shí)使用Anti pad進(jìn)行隔離。在PAD的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際封裝的尺寸，確定其各部分的實(shí)際大小，工作人員可以使用PCBNLP Calculatior V2009，或者參照《IPC-Sm-782A Surface Mount Design and Pattern Standard》的尺寸，從而提高設(shè)計(jì)的合理性[2]。

（2）其他層設(shè)計(jì)。在焊盤中，除了PAD層，還包括助焊層、阻焊層、預(yù)留層。其中，助焊層在設(shè)計(jì)的過程中，基本上會(huì)使用鋼板，結(jié)合PCB對應(yīng)的元器件完成打孔，此時(shí)錫膏漏下的時(shí)候就能夠完成焊接。同時(shí)，還應(yīng)該保證助焊層的尺寸等于Regular pad的大小。對于阻焊層來說，其實(shí)際就是綠油的部分，其映射在板子上的則是露出的銅皮，為了能夠增加其厚度，則增加阻燃層，以此來滿足相關(guān)要求。預(yù)留層主要是便于用戶添加信息，尺寸與Regular pad相同。

2.2 封裝設(shè)計(jì)

在PCD的設(shè)計(jì)中，必須提前設(shè)計(jì)好各個(gè)器件的封裝。采用Allegro完成封裝庫的建立，檢查各個(gè)部件的參數(shù)，然后與焊盤進(jìn)行連接，最后進(jìn)行直接導(dǎo)入。具體來說，在封裝設(shè)計(jì)的過程中，需要注意以下幾點(diǎn)。

（1）由于大多數(shù)的封裝，均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所以可以采用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方式，或者利用PCBNLP Calculatior V2009軟件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）如果在設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)封裝的參數(shù)等，并非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，那么就應(yīng)該采用datasheet中所提供的封裝，完成相關(guān)的設(shè)計(jì)。

（3）在封裝設(shè)計(jì)的過程中，必須認(rèn)真、仔細(xì)，盡可能避免發(fā)生焊盤尺寸、編號的誤差，以此來保證試驗(yàn)的有效性。

2.3 布線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)RF電路的過程中，傳輸線的布線方式，直接影響著射頻信號的性能。對此，本文對射頻PCB傳輸線進(jìn)行如下的設(shè)置。

（1）阻抗匹配設(shè)計(jì)。對于信號無損傳輸、完整性來說，傳輸線阻抗匹配是重要的保障。由于射頻元件的阻抗等于50 Ω，所以需要保證傳輸線同樣等于50 Ω。由于傳輸線的阻抗，受導(dǎo)線厚度、介質(zhì)常數(shù)、所在層厚度、阻焊層厚度等因素的影響，所以需要使用Polar Si8000軟件計(jì)算。

（2）走線規(guī)則。在設(shè)計(jì)中，線路布設(shè)應(yīng)該踐路徑最短、避免變形的基本原則，以此來降低損耗。同時(shí)，信號間的傳輸距離，還需要落實(shí)3-W的原則，從而避免緊鄰的傳輸線產(chǎn)生磁通耦合的現(xiàn)象[3]。

（3）減少信號回流路徑。在PCB布線的過程中，需要減少信號回流的路徑，從而最大限度地減少高頻輻射。在高速信號傳播的過程中，信號的流向?yàn)椋簭尿?qū)動(dòng)器開始，沿著PCB傳輸線，然后到負(fù)載，并沿著電源最短線路，返回驅(qū)動(dòng)器端。

2.4 PCB布局

在電路設(shè)計(jì)中，合理的布局能夠增強(qiáng)電磁兼容性，其主要方式為：

（1）固定零組件。在對讀寫器射頻電路的器件進(jìn)行布局設(shè)計(jì)時(shí)，需要對RF路徑的零組件進(jìn)行固定，同時(shí)對其方位進(jìn)行調(diào)整，縮短RF的路徑，避免電磁干擾。

（2）布局對稱。在本設(shè)計(jì)中，由于使用了雙通道零中頻接收體系，所以在布局的過程中，就應(yīng)該保證通道器件、布線的對稱性，降低相位誤差。

（3）電源去耦電路。在PCB的設(shè)計(jì)中，恰好、有效的芯片電源去耦電路，對于射頻電路設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵性的作用，能夠增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。

2.5 接地過孔

由于導(dǎo)體中總是存在阻抗，所以為了能夠降低偏離的程度，優(yōu)化超高頻RFID讀寫器射頻電路，在接地過孔的環(huán)節(jié)中，就應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

（1）增加導(dǎo)體的截面，即增加鋪地的面積、層數(shù)。為了能夠減小泄露耦合磁通，應(yīng)該保證電源平面的物力尺寸，小于地平面尺寸的20 H。

（2）保證高頻電流通過的路徑，為所有路徑的最短距離，同時(shí)保證信號傳輸?shù)牡劂~箔，為無迂回、無割裂的狀態(tài)。

（3）在鋪地時(shí)，地銅箔應(yīng)該距離其他的電氣網(wǎng)10～20 mil，具體需要根據(jù)當(dāng)前PCB的密度進(jìn)行確定。

（4）在PCB的邊緣，需要以成排的方式放置過孔，間距在3 mm左右，從而降低地銅箔的阻抗，并基于屏蔽優(yōu)化散熱效果。

3 結(jié)語

綜上所述，超高頻RFID讀寫器，其具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠應(yīng)用在很多不同的領(lǐng)域中，需要對射頻電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將其作為基礎(chǔ)，需要超高頻RFID讀寫器射頻電路的系統(tǒng)，進(jìn)行合理的仿真設(shè)計(jì)，并進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化電路系統(tǒng)，優(yōu)化RFID的技術(shù)性能。基于本文的分析與論證，文中所提及的設(shè)計(jì)方式，具有較強(qiáng)的可行性，可以應(yīng)用在射頻電路的設(shè)計(jì)中。