一種長距離125kHz閱讀器硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

　　RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。RFID被列為本世紀十大重要技術(shù)之一，已成為IT行業(yè)的一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，它有著巨大的市場潛力和價值[1]。

　　現(xiàn)已開發(fā)出RFID系統(tǒng)的4個通信頻段(系統(tǒng)工作頻率)[2]，這些頻段是：①低頻段(最高到135kHz);②13.56MHz頻段;③900MHz頻段;④2.4GHz頻段。許多低價RFID系統(tǒng)的工作距離會受從閱讀器到無源電子標簽的功率傳輸大小的限制。在短距離條件下，由于工作在近場耦合區(qū)域，低頻工作下從閱讀器到應(yīng)答器的傳輸功率更大。因此，低頻條件下更有利于能量的耦合。工作于低頻條件下(125kHz)的RFID系統(tǒng)的優(yōu)點在于：

　　(1)很好的場穿透特性:可以穿透非磁性材料，比如水、混凝土、塑膠等。

　　(2)有限與可精確控制的工作距離。在有限的工作距離下，這是個較大的優(yōu)點，例如，在門禁控制、汽車監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域等。

　　(3)可實現(xiàn)低功耗設(shè)計，尤其在接收端。

　　(4)低頻設(shè)計技術(shù)(相比于射頻電路設(shè)計)允許設(shè)計者使用低頻模擬工具與模塊。設(shè)計者可使用成熟的運算放大器、比較器和通用示波器。

　　(5)價格較低。可以加入LC諧振電路到微控制器來實現(xiàn)低價收發(fā)器[3]。

　　1 長距離125kHz閱讀器結(jié)構(gòu)

　　圖1為長距離125kHz閱讀器的結(jié)構(gòu)框架，它包括高頻接口與控制電路兩部分。

　　高頻接口部分由發(fā)射與接收電路兩部分組成。發(fā)射電路作為RFID系統(tǒng)的一個重要部分，其核心部分是D類功率放大器及其后級匹配電路與天線驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路。接收電路主要由包絡(luò)檢波" title="包絡(luò)檢波">包絡(luò)檢波電路與后級帶通放大" title="帶通放大">帶通放大電路兩部分組成。

　　控制電路的核心是AVR單片機，它主要完成四個功能，圖1的注釋已寫明。

　　2 發(fā)射電路的設(shè)計與分析

　　圖1上部分的四個方框表示發(fā)送電路。在設(shè)計發(fā)送電路的過程中，主要目標是提高發(fā)送功率，設(shè)計分析功率放大器及后級匹配與天線驅(qū)動電路，以達到閱讀器與電子標簽更遠距離識別的目的。

　　2.1 功率放大器選型與理論分析

　　A、B、C類功率放大器效率較低，D類功率放大器的效率理論上可達到100%，并且工作于開關(guān)模式下，損耗小，發(fā)射功率易得到提升，因此選用D類放大器。

　　其優(yōu)勢在于：①互補的兩個功放管推挽工作——“開”態(tài)(一個三極管飽和導通" title="導通">導通)時：Ic很大但Vc很小;“關(guān)”態(tài)(截止)時，Ic趨于零而Vc很大，兩者的乘積都很小，即Pc很小，從而實現(xiàn)了高效率放大。②集電極輸出電壓(或)電流為矩形波，諧波成分豐富，因而輸出級需加選頻網(wǎng)絡(luò)，選出基頻分量，濾除不需要的諧波分量。這樣，在負載上就可以得到所需要的基頻電壓或電流。③兩管電流在等效負載電阻RL上的流向相反，輸出電壓的偶次諧波互相抵消，輸出的最低諧波是三次，負載上的波形比較好。綜上所述，D類功率放大器適合作為發(fā)射電路功率放大器[4]。

　　電壓開關(guān)型晶體管D類放大器效率?濁與集電極輸出功率分別為：

　　晶體管的飽和壓降VCES愈小，電源電壓愈高，放大器效率與輸出功率愈高。同時，完成輸出電路的調(diào)諧也是提高輸出功率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一旦放大器輸出回路失諧，會對放大器的輸出功率產(chǎn)生不良影響甚至燒壞功放管。

　　實際設(shè)計調(diào)試要選用晶體管飽和壓降比較小的管子，同時盡量提高電源電壓，這樣可以提高D類功放的工作效率與輸出功率。

　　2.2 功放硬件實現(xiàn)與調(diào)試結(jié)果

　　功率放大器原理圖如圖2所示，5V方波正脈沖輸入時，經(jīng)過限流電阻R1，耦合電容C1、C2濾除低頻分量，再通過二極管與電阻并聯(lián)回路后，到達三極管的基極，這時，Q2基極電壓接近9V，Q2管截止，Q1導通。D1、D2和D3、D4用于穩(wěn)定功放管基極。R4、R5為發(fā)射極限流電阻。兩基極并聯(lián)C3以提高功放管開關(guān)速度，降低由開關(guān)工作轉(zhuǎn)換不理想帶來的損耗。輸出級接選頻網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率為125kHz。5V方波負脈沖(0V)輸入的情況與此剛好相反，Q2導通，Q1截止，輸出高電平(9V)。

　　調(diào)試結(jié)果：Q1與Q2的基極波形如圖3;功放輸出(集電極)的波形如圖4。

　　實際調(diào)試當中可得出以下結(jié)論：①功放管在開關(guān)瞬間會有不理想的情況，要選擇開關(guān)特性好、導通電流大、互補特性好的功放三極管來提升功放性能;②實際調(diào)試過程中，主要通過更換互補的功放三極管，觀測波形好壞來調(diào)試;③適當減小加速電容C3也可以加快功放開關(guān)管的開關(guān)速度。

　　2.3 功放后級匹配電路的設(shè)計與實現(xiàn)

　　匹配網(wǎng)絡(luò)連接功放輸出端與天線，對整個發(fā)送電路的影響起到重要作用。其主要功能有：①在功放輸出級達到最大功率傳輸;②將功放輸出的方波變?yōu)檎也虞d在天線上，并完成濾波作用。實際使用的功放后級匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　圖5中，L1、L2、C1構(gòu)成功放輸出級匹配電路(T型網(wǎng)絡(luò))，C2、C3、C4與外接天線(ANT1、ANT2接天線兩端)構(gòu)成天線驅(qū)動電路，其中C2是微調(diào)電容，用于調(diào)諧天線諧振狀態(tài)。

　　使用Agilent 8753ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行調(diào)試。先斷開前級，測量天線驅(qū)動電路部分的S(1,1)參數(shù)，調(diào)整微調(diào)電容C2將S(1,1)調(diào)整為在125kHz下為一純阻，使天線驅(qū)動電路諧振在125kHz頻率上。圖6為經(jīng)過電容微調(diào)后得到的S(1,1)參數(shù)(掃頻范圍100kHz～150kHz)[5]。

　　然后，將網(wǎng)絡(luò)分析儀接到功放匹配電路(T型網(wǎng)絡(luò))輸入端，調(diào)整電感值L1，將S(1,1)調(diào)整為在125kHz下為一純阻，得到的Smith圓圖如圖7所示。

　　完成阻抗匹配的調(diào)節(jié)后，天線輸出電壓幅度達到最大，天線一端(另一端相位相反)輸出電壓峰峰值可達到61.2V，輸出功率已接近2W，發(fā)射功率足夠大。

　　3 接收電路的設(shè)計

　　3.1 包絡(luò)檢波電路

　　包絡(luò)檢波電路原理圖如圖8所示。

　　R1、D2、C1、R2構(gòu)成基本的包絡(luò)檢波電路，C2是耦合電容，R3是負載電阻，D3與D4為保護二極管。輸出接到帶通放大電路。

　　3.2 帶通放大電路

　　這部分使用集成運放芯片構(gòu)成通用的帶通濾波放大器。為了提高系統(tǒng)性能，使用了兩級放大。其中一級電路(另一級結(jié)構(gòu)相同)圖如圖9。

　　在運放同相輸入端，電阻R2和R3構(gòu)成電源分壓電路，為同相輸入端提供比較電壓。R3的兩端并聯(lián)了電容C2，起到了相位補償?shù)淖饔?，提高了電路的工作穩(wěn)定性，同時R2和C2構(gòu)成了局部的阻容低通濾波電路，可以在一定程度上濾除高頻分量。運放輸出級接入了由R5和C4構(gòu)成的阻容低通濾波電路，可以濾除高頻分量，可使送入單片機的標簽返回信號波形更加清晰，高頻分量小。

　　使用ADS仿真得到電路的帶通特性如圖10，由圖可知通帶中心頻率為1.6kHz，電路設(shè)計完成[6]。

　　圖11是在閱讀器旁邊放置了EM4026電子標簽后，再經(jīng)運放輸出級的波形。其中左圖顯示為碼型頭部的波形，右圖為碼型尾部。

　　本文設(shè)計并實現(xiàn)了長距離低頻125kHz閱讀器硬件電路，使用ADS仿真軟件進行仿真驗證，采用獨特的基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的調(diào)試方法調(diào)試發(fā)射匹配電路，并給出調(diào)試結(jié)果。設(shè)計與調(diào)試完成后，系統(tǒng)發(fā)送功率達到了1.5W以上，閱讀器識別距離達到了70cm，實現(xiàn)了長距離識別的目的。