超高頻RFID射頻前端載波抑制電路設(shè)計(jì)

李議論，游　彬，杜紅偉，陳軍慧

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子CAD研究所，浙江 杭州 310018;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十二研究所物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部，浙江 杭州 310012)

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超高頻RFID射頻前端載波抑制電路設(shè)計(jì)

李議論1，游彬1，杜紅偉2，陳軍慧2

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子CAD研究所，浙江 杭州 310018;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十二研究所物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部，浙江 杭州 310012)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是本世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一，超高頻閱讀器是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分.文章設(shè)計(jì)了一種超高頻RFID射頻前端載波抑制電路方案，抑制了發(fā)射功率串?dāng)_到接收電路的功率，提高了接收機(jī)的信噪比.首先分析了載波泄漏出現(xiàn)的原因，并介紹了電路整體框圖，最后闡述了自動(dòng)增益控制電路與載波抵消電路的原理.經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，載波信號(hào)功率被抑制45 dB左右，與傳統(tǒng)的載波抑制電路相比，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn).

載波抑制；超高頻讀寫器；移相器；自動(dòng)控制增益

0　引　言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，軟件無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)與超高頻射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)得到高速發(fā)展與提升，UHF RFID技術(shù)是一種非接觸式識(shí)別技術(shù)，無(wú)需接觸即可識(shí)別目標(biāo)物體上的攜帶的EPC碼[1-2].目前該技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，比如館員管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)等[3-4].但是閱讀器讀取標(biāo)簽的距離受發(fā)射功率限制，主要是因?yàn)榄h(huán)形器隔離度有限，發(fā)射鏈路功率易泄漏到接收鏈路中，接收機(jī)在對(duì)標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)受到強(qiáng)載波信號(hào)的干擾而導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度下降.為提高接受機(jī)接受靈敏度，此前研究者提出幾種消除泄漏載波干擾的方案，但因方案需控制變量多而導(dǎo)致載波消除結(jié)果穩(wěn)定性較差,實(shí)現(xiàn)困難，因此本文設(shè)計(jì)一種新的載波抑制方案來(lái)消除發(fā)射功率對(duì)接收電路的影響，經(jīng)驗(yàn)證，本方案載波抑制結(jié)果穩(wěn)定性較高，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射鏈路與接收鏈路之間的隔離.

1　載波泄漏分析

圖1　發(fā)射功率泄漏到接收電路的原理圖[5]

超高頻閱讀器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)射最大功率為1 W(30 dBm).以發(fā)射功率30 dBm為例，鐵氧環(huán)形器理論上只有25 dB的隔離度，因此發(fā)射功率會(huì)有一部分進(jìn)入到閱讀器的接收端(大于5 dBm).RFID閱讀器收發(fā)電路工作在同一個(gè)頻率導(dǎo)致濾波器不能濾除發(fā)射電路泄漏的載波，所以接收鏈路引入載波抑制電路是必要的[5].發(fā)射功率泄漏示意圖如圖1所示.

2　系統(tǒng)電路框圖分析

為達(dá)到收發(fā)隔離的效果，文獻(xiàn)[6]提出了傳統(tǒng)的載波抑制硬件電路方案，如圖2所示，該方案在耦合端接入矢量調(diào)制器用于改變射頻信號(hào)幅度與相位，矢量調(diào)制器對(duì)射頻信號(hào)幅度的控制范圍為30 dB，相位控制范圍為360°.功合器把天線返回的標(biāo)簽信號(hào)與矢量調(diào)制電路處理的射頻載波信號(hào)疊加實(shí)現(xiàn)載波消除.該方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是當(dāng)天線駐波變化時(shí)標(biāo)簽返回的射頻信號(hào)功率改變，矢量調(diào)制器幅度也必須隨之改變，又因?yàn)槭噶空{(diào)制器相位隨著幅度變化而變化，所以軟件部分控制難度大并且載波消除結(jié)果不穩(wěn)定.

本文設(shè)計(jì)的載波抑制電路方案如圖3所示，方案原理和傳統(tǒng)方案相同，即利用疊加兩路幅度相等、相位相反的同頻波進(jìn)行載波抑制.電路的具體工作過(guò)程是，STM8L單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA1使自動(dòng)增益控制電路輸出固定功率，然后經(jīng)功分器分為兩路幅度相等，相位不同的射頻信號(hào).其中一路射頻載波與標(biāo)簽返回信號(hào)經(jīng)過(guò)PA放大后由限幅器限幅輸出固定的射頻載波功率，另外一路經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA2控制的移相器電路.當(dāng)自動(dòng)控制增益電路輸出合適的功率時(shí)，兩路射頻載波信號(hào)的幅度相等，只需調(diào)節(jié)移相器使兩路信號(hào)相差180°，再利用功合器實(shí)現(xiàn)兩路載波信號(hào)相抵消.方案的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化載波消除方法，即在接收端引入AGC電路，本設(shè)計(jì)電路的作用是當(dāng)天線駐波發(fā)生變化時(shí)，其輸出端射頻信號(hào)功率保持不變，因此功率容易被功分器分為兩路幅度相等的載波信號(hào).因?yàn)檩d波幅度相等容易實(shí)現(xiàn)且不受天線駐波的影響，方案只需要調(diào)節(jié)相位變量，所以本方案的實(shí)現(xiàn)方法比傳統(tǒng)載波抑制方案更簡(jiǎn)單.

圖2　傳統(tǒng)載波抑制電路方案

圖3　本文載波抑制電路方案

3　系統(tǒng)硬件原理圖分析

3.1自動(dòng)增益控制電路

在RFID閱讀器接收機(jī)中，自動(dòng)增益電路通過(guò)自動(dòng)增益控制來(lái)保證接收機(jī)輸出信號(hào)幅度的平穩(wěn)性[7].自動(dòng)增益控制電路原理圖如圖4所示.控制電路將接收到的標(biāo)簽返回信號(hào)接入可變?cè)鲆娣糯笃鰽DL5330，放大后的信號(hào)由檢波器檢波，并把檢波結(jié)果反饋到ADL5330的增益控制引腳形成反饋回路.該回路通過(guò)控制圖4中DA_Vset信號(hào)在耦合器的直通端輸出固定功率.

圖4　自動(dòng)增益控制電路原理圖

3.2幅度與相位控制電路

自動(dòng)增益控制電路固定輸出的射頻功率由功分器分為幅度相等相位不同的兩路射頻信號(hào).幅度與相位控制電路原理圖如圖5所示.其中一路通過(guò)移相器PS088-315，該移相器在圖5中Vctrl_P信號(hào)的控制下，射頻信號(hào)相位線性變化，配合微帶線調(diào)相滿足載波消除的相位條件.另外一路經(jīng)過(guò)放大器放大并由限幅器PS-2限幅輸出固定功率，兩路信號(hào)幅度相等的條件下，調(diào)節(jié)移相器控制電壓使兩路信號(hào)相差180°實(shí)現(xiàn)載波消除[8].

圖5　載波消除電路原理圖

3.3單片機(jī)軟件控制

單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA1連接圖4中的DA_Vset，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA2通過(guò)放大電路放大后連接圖5中Vctrl_P.程序開始工作時(shí)，單片機(jī)控制對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行嵌套循環(huán)遍歷，找出適合的DA_Vset, Vctrl_P信號(hào)電壓值.當(dāng)DA_Vset信號(hào)輸出合適電壓值時(shí)AGC電路輸出-1 dBm固定功率值，該功率被分成兩路功率均為-4 dBm，相位相差90°的載波與標(biāo)簽返回信號(hào)，其中一路經(jīng)過(guò)移相器后功率值為-5 dBm，另外一路經(jīng)過(guò)放大器放大后由限幅器限幅輸出射頻載波信號(hào)功率也為-5 dBm，只需要調(diào)節(jié)Vctrl_P信號(hào)使兩路信號(hào)相位相反，利用功合器實(shí)現(xiàn)載波抵消.當(dāng)載波抵消后的檢波結(jié)果經(jīng)AD1采樣后低于設(shè)定的門限電壓值時(shí)，單片機(jī)將DA_Vset，Vctrl_P信號(hào)的電壓值記錄下來(lái)并保持不變，即可完成程序控制.另外軟件控制過(guò)程是自適應(yīng)的，在極端條件下，例如天線回波功率很大導(dǎo)致抵消結(jié)果值高于設(shè)定門限值時(shí)，程序自動(dòng)對(duì)DA_Vset，Vctrl_P信號(hào)進(jìn)行新一輪遍歷，再次找到合適的DA_Vset與Vctrl_P信號(hào)電壓值使載波消除后的結(jié)果值低于設(shè)定的門限值.

3.4主控制模塊以及外設(shè)

本文的單片機(jī)采用ST公司的8位微處理器芯片STM8L，該芯片配置兩個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)與多個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),電路不需要外接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，降低了電路的成本與復(fù)雜度.另外該微處理器調(diào)試簡(jiǎn)單，燒寫方便，其串口將AD采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端，方便電路算法的實(shí)現(xiàn).

4　電路測(cè)試結(jié)果

載波抑制電路的PCB使用4層板，電源層作為獨(dú)立層減少電源噪聲對(duì)射頻信號(hào)的影響.另外，數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)地線分開，防止數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生諧波以射頻信號(hào)造成干擾.電路使用的測(cè)量?jī)x器為Agilent E8257D矢量信號(hào)發(fā)生器、Agilent N6705B直流電源分析儀、Agilent N9010A頻譜分析儀，其中E8257D矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的發(fā)射頻率為922.5 MHz.載波抑制電路實(shí)物圖如圖6所示，TX端口是超高頻閱讀器發(fā)射機(jī)發(fā)射功率輸入端口，環(huán)形器的端口2連接陶瓷天線，RX端口連接頻譜儀測(cè)量載波消除電路抑制后的射頻載波功率.載波抑制結(jié)果計(jì)算公式如下：

S=L-(R-G)，

(1)

式中：S為載波抑制結(jié)果，L為未加載波抑制電路時(shí)泄漏的射頻功率，R為加載波抑制電路后RX端口射頻功率，G為低噪聲放大器增益.

Agilent N9010A頻譜儀測(cè)得發(fā)射功率為20 dBm時(shí)，泄漏功率與RX端口功率如圖7所示，根據(jù)式(1)，實(shí)際測(cè)量TX端口不同發(fā)射功率時(shí)載波抑制結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示.

圖6　載波抑制電路實(shí)物圖

圖7　發(fā)射功率為20 dBm時(shí)泄漏功率與RX端口功率測(cè)量值

TX端口功率/dBm隔離度/dB泄漏功率/dBm低噪放增益/dBRX端口功率/dBm抑制結(jié)果/dB20.0021.2-1.1218.5-26.643.9823.0021.21.8018.5-23.443.7025.0021.23.9618.5-24.046.4627.0021.25.7918.5-20.244.49

從表1中可以看出，當(dāng)TX端口發(fā)射功率增大時(shí)，泄漏到接收端的載波功率逐漸增加，RX端口功率值在-23 dBm左右，低噪聲放大器增益為18.5 dB，所以總體上載波信號(hào)被抑制了45 dB左右.該電路測(cè)量數(shù)據(jù)有少許偏差，主要是由于陶瓷天線駐波受環(huán)境影響，但總體上滿足閱讀器需求.

5　結(jié)束語(yǔ)

本文參考了傳統(tǒng)載波抑制電路方案的優(yōu)點(diǎn)，提出新的載波抑制電路方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了方案原理圖并制作電路實(shí)物，最后通過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，超高頻RFID接收鏈路引入載波消除電路能有效地減少倒易混頻的影響，降低解調(diào)器的直流偏置，提高閱讀器接收機(jī)接收靈敏度.

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The Design of UHF RFID Reader RF Front-end Carrier Suppression Circuit

LI Yilun1, YOU Bin1, DU Hongwei2, CHEN Junhui2

(1.InstituteofMicro-electronicsCAD,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.DepartmentofIOT,CETC52ResearchInstitute,HangzhouZhejiang310012,China)

Internet of things technology is one of the most potential technology in the century，ultra high frequency reader is an important part of the internet of things. This paper introduces and designs a new way to suppress the carrier power in the UHF RFID, the solution solve the problem that the transmitting power in the RFID transmitting part leak part of power to the receive chain of RFID, in this case, the SNR will be enhanced in a large scale. Firstly, the paper analyzes the reason of the problem and tells the circuit of automatic gain control and carrier suppression(AGCCS). After verification, we conclude that the carrier power could be reduced 45 dB than before, and it could be easier to realize than traditional solutions.

carrier suppression; ultra high frequency radio frequency identification reader; phase shifter; automatic gain control

10.13954/j.cnki.hdu.2016.01.002

2015-06-23

浙江省科技廳重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2010R50010)

李議論(1991-)，男，安徽宿州人，碩士研究生，電路與系統(tǒng).通信作者：游彬副教授，E-mail：youbin@hdu.edu.cn.

TN402

A

1001-9146(2016)01-0007-05