RFID設備天饋口防雷技術研究

摘 要：隨著物聯網的迅猛發展，RFID技術已在眾多行業中得到廣泛應用，其中固定式閱讀器的應用場景尤為豐富，且室外型閱讀器占比最大。然而，室外型閱讀器的工作場景復雜，極易受到雷擊干擾，輕則影響設備的正常運行，重則導致設備短路。因此，對于室外RFID設備而言，防雷設計顯得尤為重要。在室外RFID設備的接口防雷設計中，天饋口的防雷設計最為困難，因為防雷器件、防雷電路極易影響射頻鏈路的匹配，從而影響設備的射頻指標。目前，業界大都采用外置防雷器的解決方案，但該方案工程實施難度大、成本高，防護效果不穩定。針對這一問題，提出了一種新型的RFID設備天饋口防雷方案，與設備一體設計，成本低廉，并且經過雷擊測試驗證，證明其有效且可靠，可以保障設備在雷擊高發區域依然能夠穩定工作，對設備可靠性設計具有重要的參考價值。

關鍵詞：物聯網；無線射頻識別；天饋；防雷；抗干擾；閱讀器設備

中圖分類號：TP39；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

近年來，物聯網技術發展迅猛[1-3]。RFID 技術是一種通過無線電磁波在標簽和讀寫器之間進行數據傳輸的自動識別技術[4-6]，其作為物聯網采集層的重要組成部分，已被應用于諸多行業和場景[7]。閱讀器設備是RFID系統的重要組成部分[8]，廣泛應用于各類物聯網采集層場景。在閱讀器中占比最大的是室外型設備[9]，這類設備被安裝在各種應用環境中[10-12]，需要面對復雜多變的工作場景和不同的工程實施條件。室外型閱讀器極易受到雷擊干擾，輕微的雷擊干擾可能會導致設備離線、工作中斷等問題；若雷擊干擾較強，且缺少有效的防護措施，則會導致設備電路被燒毀，造成重大損失。

當前，各個設備廠商已經充分認識到防雷方案的重要性，并開展了相應的研究。對于室外型閱讀器，接口防雷設計中最為困難的是天饋口防雷，因為各類防雷器件或者方案極易影響射頻鏈路的匹配，進而導致設備關鍵射頻指標的惡化，直接體現為設備的工作范圍縮小，使用效果變差。目前業界較多使用外置集成的防雷器作為天饋口防雷方案，但該方案存在明顯弊端：防雷器占用額外空間，增加了工程實施難度，同時也帶來較大的成本負擔。

本文針對行業對室外型閱讀器天饋口防雷的要求，分析了目前業界方案存在的問題；提出了一種新的國產化天饋口防雷設計方案；在實際的產品中予以實施，并通過防雷測驗驗證了其有效性。

1 問題的提出

1.1 現有方案的問題

根據行業應用標準，室外型RFID設備的天饋口防雷系統需要通過5 kA的沖擊電流測試，以確保設備可以在雷擊高發區域穩定工作。采用目前傳統的防雷方案，在做雷擊測試時，低等級的測試可以通過，但當測試條件提升為5 kA時，系統防雷性能不穩定，經常出現射頻接口附近微帶線被雷擊電流燒毀熔斷的現象，如圖1所示。這一現象不僅在實驗室測試中有所體現，在實際使用的設備中也會發生。

1.2 問題分析

由于射頻端口性能和單板阻抗匹配等限制，現有方案中PCB射頻鏈路微帶線的通流能力有限。因此，設備天饋口的防雷系統設計分為兩個部分，一部分為整機內部的防雷方案，需要承受2 kA的沖擊電流，以滿足整機在室內、少雷區等環境的防雷需要；另一部分為外置天饋防雷器的整機防雷模式，需要承受5 kA的沖擊電流，以滿足整機在雷電高發區的防雷需要。

第一部分通過實驗室驗證，整機設計可以滿足2 kA的防雷要求，防雷設計主要通過內部的氣體放電管來泄放沖擊電流，并利用電容來泄放氣體放電管的殘壓。電路設計如圖2所示。

第二部分在測試時發現系統防雷性能不穩定，有時能夠通過測試，有時單板PCB射頻鏈路微帶線燒毀斷裂，無法滿足系統的防雷需求。第二部分方案的示意圖如圖3所示。

從防雷設計原理分析，防雷器內部為一個氣體放電管，設備板內核心器件也是一個氣體放電管，而且二者之間沒有退耦器件，那么整個射頻端口的防護就是兩個氣體放電管并聯，等效關系如圖4所示。雷擊發生時，沖擊電流可能會首先通過板內氣體放電管進行泄放，因此現有的防雷方案會存在防護不穩定、防護等級不達標等問題。

2 天饋防雷設計方案

本文方案設計預期達到的效果是：雷擊發生時外置天饋防雷器先被觸發進而泄放掉大部分的能量，后級的整機系統內的放電管再啟動，泄放掉前級天饋防雷器的殘壓，從而將殘壓控制在系統可承受的范圍之內。

氣體放電管有一個很重要的指標，瞬態擊穿電壓，目前業界使用的氣體放電管部分參數如圖5所示。

由上述參數可知，當使用1 kV/μs的波形時，電壓達到550 V或者550 V下限一定區間范圍內就會觸發擊穿。而雷擊測試時使用的模擬波形時間為8/20 μs，經過計算，大約0.7 μs即可觸發擊穿。若外置的防雷器放電管的瞬態擊穿電壓的參數值和系統內部放電管的參數相近，且考慮到每個氣體放電管自身存在10%～20%的上下區間差異，就很可能導致后級的氣體放電管先觸發，通流能力很差的PCB射頻微帶線就會被燒毀擊穿。天饋口至氣體放電管部分PCB微帶線如圖6所示。

這樣便合理地解釋了為何同樣的方案會出現不同的測試結果。因為即便是同一個防雷器件供應商，若是不同批次的氣體放電管，自身的瞬態擊穿電壓參數也是有離散差異的。由此看來，現有的設計方案仍存在不足，無法保證外置天饋防雷器在沖擊電流到來時能夠先于系統內部的氣體放電管觸發。而當系統內部的氣體放電管率先觸發時，受限于阻抗約束的射頻微帶線的通流能力差，極易出現熔斷斷裂的現象。

2.1 思路驗證

為了驗證上述設想，對其開展了兩項驗證：

實驗一：去掉系統前級的防雷器，對系統整機做5 kA、8/20 μs的沖擊電流實驗。實驗結果：單板PCB走線斷裂，與之前出現的現象相同。實驗結論：PCB走線斷裂是由于單板內的防雷設計無法滿足5 kA沖擊電流而造成的。

實驗二：去掉整機系統內部的氣體放電管，只使用外部的防雷器。實驗結果：單板PCB走線完好，測試單板器件，發現開關管損壞。實驗結論：外置防雷器的放電管可以泄放掉大部分的能量。單板PCB走線可以承受防雷器殘壓的能量，但是單板上的個別器件卻不能承受防雷器的殘壓，會被防雷器的殘壓損壞。

2.2 設計方案

現有的設計方案無法保證外置天饋口防雷器在沖擊電流來臨時能先于系統內部的氣體放電管觸發。當系統內部的氣體放電管先觸發，薄弱通流的走線就會出現熔斷斷裂的現象。

鑒于RFID系統的天饋電路設計的特殊性，無法在前置的防雷器和系統天饋口之間增加退耦器件來保證外置防雷器先觸發而系統內置氣體放電管后觸發。因此，外置防雷器的方案存在局限性和顯著不足。需要設計一種防雷電路，當雷擊來臨時，其能更快啟動，泄放更多能量，且殘壓更低。為了保證新的前置防雷電路能夠先于系統內的氣體放電管觸發而泄放掉大部分的能量，在電路上采用了1/4波長原理的防雷電路來替代之前使用氣體放電管的防雷器。1/4波長原理的防雷電路比氣體放電管型的防雷器的啟動時間更短且殘壓更小，而且對原有射頻鏈路表現出良好的兼容性。其等效為對地開路，因此不會干擾原有鏈路的匹配和阻抗，同時也不會降低射頻前向功率以及反向靈敏度等關鍵指標。

3 方案驗證

將采用新型國產化防雷方案的PCB單板，裝配到整機設備中，在實驗室同樣對整機天饋口做8/20 μs的沖擊電流實驗。射頻同軸線芯對線皮做10次5 kA沖擊電流測試、10次10 kA沖擊電流測試。實驗驗證：設備業務測試正常，端口駐波檢測正常，關機測量開關管完好，PCB走線完好，設備各項參數指標與測試前相比沒有變化。證明新的設計方案行之有效，可以很好地對RFID設備的天饋口進行雷擊防護。

4 結 語

RFID設備天饋口防雷設計是確保系統可靠性的重點也是難點。傳統方案存在成本高、安裝復雜、防護不穩定及可靠性低的弊端。本文深入剖析了現有方案的不足之處，在此基礎上進一步提出了新的整體防雷設計方案，經過實驗驗證，本方案可以有效地進行雷擊防護。相比于傳統方案，成本更低、安裝更加簡便，能夠顯著提高RFID系統的可靠性，也對其他無線通信設備的天饋口防雷設計有一定借鑒意義。

如何進一步提高天饋口防雷能力、提升防雷方案的魯棒性以及降低防雷電路的成本，將是下一步研究工作的重點。

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