一種新型UHF RFID讀寫模塊的研制

　　0 引言

　　射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification,RFID)是指通過檢測目標(biāo)物體對射頻電磁場的擾動而獲得其相關(guān)特征信息的一種探測技術(shù).經(jīng)過多年的發(fā)展，13.56 MHz以下的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，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.標(biāo)簽成本較低.讀取速率快等諸多優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注。

　　1 超高頻RFID系統(tǒng)

　　一個典型的超高頻RFID 系統(tǒng)通常由讀寫器.天線和標(biāo)簽3部分構(gòu)成，如圖1所示.其工作原理如下：讀寫器首先通過天線向標(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以獲得標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息.它首先是一個雙向通信過程：一條鏈路為讀寫器到標(biāo)簽的信號，另外一條鏈路為標(biāo)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(tǒng)實際識別距離由最短的一條鏈路通信路徑距離決定.根據(jù)無線通信中的Friis傳輸公式：

　　式中：Pt 是發(fā)射機的發(fā)射功率;Pr 是接收機的接收信號強度;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;R 是兩個設(shè)備之間的距離;Dr和Dt 分別是接收.發(fā)射天線的方向性(或者說定向增益).通過計算，可以得出下面公式：

　　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(fā)射機功率和接收機靈敏度，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(fā)同頻.同時，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距離的遠近.這是因為發(fā)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(shè)備識別標(biāo)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(shù)據(jù)表格可以看出，發(fā)射載波泄漏到接收機前端的能量大小對應(yīng)的接收機的實際靈敏度差異是比較大的.很明顯的一個規(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(dǎo)致前端阻塞，這種干擾通常會阻止信號的接收.或者一個鄰近的信號進入接收機導(dǎo)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。

　　而實際情況是，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，天線的駐波比會變差，此時發(fā)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(jīng)由環(huán)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(dǎo)致讀寫器的識別距離變短.如果在多標(biāo)簽盤點場合，也會由于讀寫器與標(biāo)簽之間的鏈路余量降低，表現(xiàn)為讀寫器的多標(biāo)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(tǒng)讀寫模塊的局限性，本文在仔細(xì)研究超高頻RFID讀寫模塊射頻前端架構(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 之間增加了一個可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò).核心思想是通過實時檢測天線的駐波來相應(yīng)調(diào)整阻抗網(wǎng)絡(luò)以保證耦合器對應(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(tài)，保證了對標(biāo)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(nèi)初始天線駐波對應(yīng)的阻抗值，以915 MHz為例，可以看出此時的復(fù)阻抗為36.858+j10.762,經(jīng)過計算可以得出，此時天線的駐波比對應(yīng)的回波損耗大約為-14 dB。

　　由圓點覆蓋的近似扇形區(qū)域為自適應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋阻抗范圍，也就是說只要在此范圍內(nèi)的均可通過調(diào)整元件值將天線的駐波調(diào)整到近似于1(對應(yīng)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(tài)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(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，可以使得接收靈敏度在傳統(tǒng)讀寫模塊性能基礎(chǔ)上增加3 dB,經(jīng)理論計算可以改善40%的讀寫距離。

　　4 結(jié)語

　　測試條件：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。

　　通過實驗對比測試，可以發(fā)現(xiàn)采用自適應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的讀寫器模塊不但在讀寫距離上，而且在多標(biāo)簽盤點數(shù)量上都較傳統(tǒng)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。