4天線超高頻RFID讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種利用無線射頻技術(shù)在讀寫器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換目的的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]。近年來，超高頻射頻識(shí)別技術(shù)(UHF)發(fā)展迅速，在國內(nèi)，UHF RFID的實(shí)際應(yīng)用已涉及多個(gè)方面[2-3]。目前，已有一大部分企業(yè)自主研發(fā)出UHF讀寫器，如西安航天自動(dòng)化股份有限公司、深圳遠(yuǎn)望谷、深圳拙進(jìn)等公司。

　　傳統(tǒng)RFID讀寫器僅限于單通道或2通道讀取標(biāo)簽，這使得RFID讀寫器群讀能力、輻射范圍、讀寫方位等受限。因此，本文設(shè)計(jì)出4天線RFID讀寫器核心模塊，目的是提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍，讀取標(biāo)簽時(shí)不受標(biāo)簽方位的影響，實(shí)現(xiàn)瞬間內(nèi)讀取多張標(biāo)簽，提高讀取標(biāo)簽數(shù)量，以保證識(shí)別率，使用戶在較少設(shè)備下實(shí)現(xiàn)高性能的讀取效果，為用戶節(jié)省應(yīng)用成本。

　　本文使用Impinj R2000讀寫器芯片完成標(biāo)簽的讀、寫操作。為了提高射頻信號(hào)的功率，外部使用了功率放大器以增加射頻信號(hào)的發(fā)射功率。為了實(shí)現(xiàn)4天線射頻信號(hào)的輸入、輸出，采用了RFMD公司生產(chǎn)的RF1604芯片作為射頻開關(guān)。最后，根據(jù)現(xiàn)場需要，通過信號(hào)分析儀對(duì)各個(gè)天線在不同功率設(shè)置下進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明：4個(gè)天線端功率輸出均能滿足現(xiàn)場需求，性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。

　　1 RFID系統(tǒng)概述

　　典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器、外置天線、應(yīng)用軟件系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。其工作原理如圖1所示。

　　RFID系統(tǒng)的基本工作原理是[1-2]：RFID讀寫器可以通過外置天線發(fā)射出某一特定頻段的射頻信號(hào);當(dāng)攜帶載體信息的RFID標(biāo)簽進(jìn)入到讀寫器的讀寫區(qū)域時(shí)，在RFID標(biāo)簽內(nèi)會(huì)耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而將RFID標(biāo)簽激活，從而使得RFID標(biāo)簽攜帶的載體信息通過其內(nèi)置天線發(fā)射出去;當(dāng)RFID天線接收到此信號(hào)時(shí)，將此信號(hào)傳送到RFID讀寫器進(jìn)行解碼操作，完成了標(biāo)簽的讀操作;RFID讀寫器可將解碼后得到的信息傳送到后臺(tái)應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而可以控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以達(dá)到自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)執(zhí)行的目的。

　　2 讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)

　　2.1讀寫器模塊架構(gòu)

　　4天線讀寫器模塊架構(gòu)主要由以下模塊組成[4-5]：Impinj R2000讀寫器芯片;主控單元ARM;功率放大器;射頻耦合器;4天線選擇網(wǎng)絡(luò)RF1604;各通信接口。具體如圖2所示。

　　2.2 RF1604簡介

　　RF1604是RFMD公司推出的新型單極四投(SP4T)開關(guān)，專為要求極低插入損耗、高功率處理能力和最低直流耗能的開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)。

　　RF1604采用非常小巧的2.5 mm×2.5 mm、12引腳且無鉛的QFN封裝。其工作電壓為2.2 V~2.7 V，推薦工作電壓為2.5 V。在0.5 GHz~1.0 GHz時(shí)，RF1、RF2、RF3、RF4的插入損耗為0.4 dB~0.55 dB，最大控制功率為+36 dBm。

　　RF1604封裝圖如圖3所示。

　　各引腳功能如表1所示。

　　4天線選擇控制信號(hào)真值表如表2所示。

　　2.3 射頻輸出硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示，在射頻開關(guān)RF1604的射頻信號(hào)輸入、輸出端進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品調(diào)試時(shí)可通過信號(hào)分析儀測得的射頻功率信號(hào)，通過調(diào)節(jié)線路上的阻容元件以實(shí)現(xiàn)輸入、輸出的阻抗匹配操作，保證信號(hào)在傳輸過程中能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳輸。

　　2.4 射頻輸出PCB設(shè)計(jì)

　　射頻信號(hào)在傳輸過程中，對(duì)PCB板的設(shè)計(jì)提出了更好的要求。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，工作時(shí)會(huì)使電路板內(nèi)的電源電壓和地電平產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)波形產(chǎn)生尖峰過沖、衰減震蕩、反射、串?dāng)_等問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能[6]。

　　因此，為了減小射頻信號(hào)傳輸線路上的回波損耗及消除串?dāng)_，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，從布局、布線兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

　　另外，在布線時(shí)，采用了3W規(guī)則法。

　　2.5 基于ADS的系統(tǒng)仿真分析

　　在設(shè)計(jì)時(shí)采用ADS軟件進(jìn)行阻抗匹配分析，使得輸出獲得最大的功率信號(hào)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功率，如圖5所示。

　　由圖5的Smith圓圖可以看出，射頻開關(guān)與各天線輸出之間的線路阻抗匹配，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　3 四天線工作軟件部分設(shè)置

　　4天線UHF RFID讀寫器核心模塊設(shè)計(jì)完成后，軟件部分設(shè)置前向功率、反向功率，其校準(zhǔn)曲線如圖6所示。

　　4 性能測試

　　RFID超高頻中國頻段為：920 MHz~925 MHz，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場需要，使用專用測試工具分別對(duì)1~4號(hào)天線的輸出功率、頻率設(shè)置為30 dbm、922.5 MHz。

　　為驗(yàn)證4天線RFID讀寫器模塊的輸出功率，采用信號(hào)分析儀進(jìn)行了現(xiàn)場測試，如圖7所示。

　　由圖7可以看出，4天線RFID讀寫器1~4號(hào)天線的輸出功率性能良好，輸出功率均能滿足設(shè)計(jì)要求。

　　采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得超高頻RFID讀寫器模塊4個(gè)天線輸出端的Smith圓圖如圖8所示。

　　通過圖8可以看出，4天線RFID讀寫器4個(gè)天線輸出端在工作頻率為922 MHz時(shí)，其阻抗匹配接近50 Ω，符合設(shè)計(jì)要求。

　　另外，根據(jù)現(xiàn)場需求，對(duì)15 m以外的標(biāo)簽進(jìn)行了批量讀取，通過專用測試工具可以得到RFID讀寫器讀到的標(biāo)簽類型及標(biāo)簽數(shù)量，如圖9所示。

　　5 結(jié)論

　　為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標(biāo)簽時(shí)不受標(biāo)簽方位的影響，本文基于Impinj R2000讀寫器芯片，使用RFMD公司生產(chǎn)的RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件電路原理圖與PCB的設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)4天線工作時(shí)的軟件部分相關(guān)寄存器的設(shè)置進(jìn)行了分析，最后通過信號(hào)分析儀對(duì)天線端在不同功率需求下進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明：4天線UHF RFID讀寫器核心模塊具有良好的性能、輸出功率均能滿足現(xiàn)場需求，符合設(shè)計(jì)要求，具有很好的市場前景。

　　參考文獻(xiàn)

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