RFID系統(tǒng)射頻電路優(yōu)化設(shè)計研究

王 爍

（天津科暢慧通信息技術(shù)有限公司，天津 300000）

RFID系統(tǒng)由于操作的便捷性已經(jīng)在多種行業(yè)中得到應(yīng)用，常見的如零售業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、生產(chǎn)流水線和防偽技術(shù)等都可應(yīng)用RFID技術(shù)。為了提升RFID系統(tǒng)的性能，本文根據(jù)先局部后整體的優(yōu)化思路進(jìn)行電路優(yōu)化，并在電路優(yōu)化完成后對電路進(jìn)行測試，將優(yōu)化結(jié)果與設(shè)計值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對RFID系統(tǒng)射頻電路的優(yōu)化設(shè)計。

1 RFID系統(tǒng)原理

RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、控制裝置和標(biāo)簽構(gòu)成。讀寫器包括天線、射頻電路和數(shù)字電路?？刂蒲b置通常為計算機(jī)。標(biāo)簽包括存儲器、天線和收發(fā)機(jī)。

RFID系統(tǒng)中的標(biāo)簽為數(shù)據(jù)載體，標(biāo)簽中包括多種電子器件和線路，最終使標(biāo)簽具有唯一的數(shù)字編碼。當(dāng)標(biāo)簽附著在物體上時，通過讀寫器能夠得到標(biāo)簽中的唯一編碼，經(jīng)過解調(diào)可以將編碼進(jìn)行顯示或處理。標(biāo)簽按照有無獨(dú)立電源供電可分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽，當(dāng)前無源標(biāo)簽使用范圍更加寬泛，而要讓標(biāo)簽中的電子器件運(yùn)行，讀寫器中的天線能夠?yàn)闃?biāo)簽提供能量，從而激活標(biāo)簽中的電子芯片[1]。

RFID系統(tǒng)中讀寫器是通過天線進(jìn)行信號的發(fā)送和接收，從而獲取標(biāo)簽內(nèi)的編碼，對于一些擁有寫入功能的讀寫器，還可以對標(biāo)簽中的編碼進(jìn)行修改。通常情況下，讀寫器都有數(shù)據(jù)連接插口，以將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制裝置中。另外，對于RFID系統(tǒng)來說，高頻信號和低頻信號在電路設(shè)計中存在較大差異。以高頻系統(tǒng)為例，電路設(shè)計中涉及防碰撞技術(shù)、零中頻技術(shù)、天線技術(shù)等方面。

2 RFID系統(tǒng)射頻電路設(shè)計

2.1 發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射電路設(shè)計中包括調(diào)制器、耦合器、電源電路、頻率源和功率放大器電路設(shè)計，各電路設(shè)計方案如下：（1）頻率源。頻率源設(shè)計需要通過頻率合成實(shí)現(xiàn)，頻率合成有直接合成和間接合成兩種方式。從成本、信號質(zhì)量方面考慮，最終決定使用間接合成方式。使用鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)頻率的間接合成。鎖相環(huán)的工作原理為一個反饋電路，通過誤差控制電壓實(shí)現(xiàn)對頻率的有效調(diào)整，并且在該系統(tǒng)中還設(shè)置了環(huán)路濾波器，進(jìn)一步提升輸出信號的品質(zhì)。（2）調(diào)制器。根據(jù)相關(guān)協(xié)議，需要保證前向鏈路的調(diào)制系數(shù)高于90%，同時波形動作時間不能高于35 μs，最終確定采用具有開關(guān)功能的功率放大器替代調(diào)制器，在放大信號的同時還能夠進(jìn)行ASK調(diào)制[2]。（3）功率放大器。功率放大器設(shè)計中需要按照信號發(fā)射最遠(yuǎn)距離進(jìn)行設(shè)計，同時需要對放大器的體積進(jìn)行合理選擇。（4）耦合器。耦合器的作用是當(dāng)發(fā)射器中只有一個發(fā)射天線時，對發(fā)射信號和接收信號進(jìn)行隔離，對于高頻信號來說，耦合器可使用微帶線實(shí)現(xiàn)功能。（5）電源電路。在電源電路設(shè)計中，為了保證發(fā)射信號質(zhì)量，需要在線路中增加濾波電路，同時還需要增設(shè)穩(wěn)壓管保證電源電壓的穩(wěn)定性。

2.2 接收電路設(shè)計

接收電路為RFID系統(tǒng)線路設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在接收電路設(shè)計中，需要對電路的解調(diào)原理、模糊點(diǎn)處理進(jìn)行研究。另外接收電路設(shè)計時，在同一條微帶線上需要連接4個混頻二極管。本振信號和標(biāo)簽回波信號經(jīng)過其中兩個二極管形成的混頻電路，進(jìn)行信號處理后，將信號輸入差分放大器，最終流經(jīng)電壓比較器[3]。

2.2.1 解調(diào)原理

在本振信號和回收信號流經(jīng)一個混頻電路時，兩個二極管上得到的信號分別為：

在這兩個方程中，A為信號強(qiáng)度，B(t)為調(diào)制信號，在信號解調(diào)過程中，需要保證，當(dāng)這兩個信號在流經(jīng)其中一個點(diǎn)處發(fā)生混頻后，最終輸出的信號會包括直流成分、零中頻成分、基波成分和高頻諧波成分。其中，零中頻成分由兩個信號的差頻產(chǎn)生，信號方程為：

該方程中c為一個常數(shù)，需要根據(jù)二極管確定，在進(jìn)行信號處理時，需要將直流成分、基波成分和高頻諧波成分去除，得到的信號即為基帶信號。構(gòu)建兩個二極管間距為微帶線長度的1/4，則可將本振信號和回波信號寫成：

在該方程中，e為常數(shù)，與二極管自身性質(zhì)有關(guān)。對得到的兩個信號方程比較可知，兩個信號方程互為倒相，且這兩個信號都為解調(diào)信號。對這兩個信號進(jìn)行放大后，讓信號通過電壓比較器即可得到解調(diào)信號。

2.2.2 模糊點(diǎn)

通過得到的解調(diào)信號方程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a－b=0.5 π時解調(diào)信號輸出值為0，而a－b的值由讀寫器與標(biāo)簽間的距離決

與之前的分析過程相似，最終得到另一點(diǎn)的輸出信號為：定，在RFID系統(tǒng)中將距離為0.5 π的位置稱為模糊點(diǎn)。在電路設(shè)計中，可以將本振信號與回波信號的相位設(shè)置為任意值，并按照上文的解調(diào)方法對信號方程進(jìn)行處理，對于同一組二極管，將兩個解調(diào)信號相減，得到方程：

其中δ在確定的電路中為一個固定常數(shù)，另外通過上述方程可以找到方程的模糊點(diǎn)，要消除電路中模糊點(diǎn)對RFID系統(tǒng)的影響，需要在電路中增加解調(diào)電路，以消除電路中產(chǎn)生的模糊點(diǎn)，并且在該過程中需要確定增加的解調(diào)電路的位置，以解調(diào)電路中兩個二極管距離為微帶線長度的1/4為例，最終結(jié)果為：新增的解調(diào)電路與原有解調(diào)電路間距要滿足：，其中λ為微帶線長度。

3 RFID系統(tǒng)射頻電路優(yōu)化

3.1 混頻器優(yōu)化

在RFID系統(tǒng)中，混頻器發(fā)揮重要作用，所以需要對混頻器進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)際電路構(gòu)建時，通常在混頻二極管與微帶線間設(shè)置電容。這種結(jié)構(gòu)能夠防止微帶線中的直流電流通過二極管，對信號產(chǎn)生一定影響。同時通過設(shè)置電容，也能保證讀寫器中發(fā)射信號的強(qiáng)度。對于混頻器中二極管的選擇原則為截止頻率不低于本振頻率的10倍，并且與之串聯(lián)的電阻需要保證低阻。其中電容的確定公式為：

該方程中，f為截止頻率，R為與二極管串聯(lián)的電阻阻值，在根據(jù)該公式選取相應(yīng)的電子元件后，通過建模仿真的方式對電路進(jìn)行測試。結(jié)果表明，本振頻率不會對混頻器的變頻增益產(chǎn)生重大影響，而電容的加入會對變頻增益產(chǎn)生較大影響，并且通過建模仿真過程還可以找到變頻增益最大時對應(yīng)的電容值。另外，增加電容后，微帶線的本振信號和回波信號衰減值會大幅下降，表明本振信號能夠被很好地利用。

3.2 混頻管間距優(yōu)化

通過前文可以發(fā)現(xiàn)，混頻器中二極管的間距會對信號的接收造成較大影響。為了能夠充分提升信號的強(qiáng)度，需要對二極管的間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。要達(dá)到這一目的，需要保證差模信號幅度獲得充分提升，即求的最大值。由于該方程中a，b，δ為已知常數(shù)，故而只需要求取方程右端前半段的最大值即可，其中c，h為絕對值相同的已知常數(shù)。通過對方程最大值的求解，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)方程中時，方程將取得最大值。體現(xiàn)在RFID系統(tǒng)的電路中，即混頻二極管間距為微帶線長度的1/4時，取得最大的差模信號幅度。

3.3 帶通濾波器優(yōu)化

帶通濾波器的最終目的是得到較為純凈的零中頻信號，在帶通濾波器優(yōu)化過程中，首先需要計算零中頻碼的頻譜，其次設(shè)計相應(yīng)的電路實(shí)現(xiàn)所需功能。在帶通濾波器優(yōu)化過程中，使用時域仿真器進(jìn)行時域信號的傅里葉變換，得到的結(jié)果表明，頻譜雖然無限長，但功率集中在1 MHz范圍內(nèi)，在32 kHz左右功率達(dá)到最大，所以在帶通濾波器優(yōu)化中，應(yīng)保證濾波器通帶處于20 kHz～1 MHz范圍之內(nèi)。在進(jìn)行濾波電路設(shè)計時，需要盡量降低濾波電路的體積，同時還要考慮不同電路的制造成本。在進(jìn)行電路設(shè)計和構(gòu)建后對最終結(jié)果進(jìn)行測試，結(jié)果表明優(yōu)化后的帶通濾波器能夠充分發(fā)揮應(yīng)有作用。

3.4 工作頻率優(yōu)化

在讀寫器使用過程中，手機(jī)與讀寫器的工作頻段存在重疊部分，這會產(chǎn)生同頻干擾，所以需要對工作頻率進(jìn)行優(yōu)化，降低干擾現(xiàn)象的發(fā)生概率。工作頻率優(yōu)化中最主要的方式為跳頻優(yōu)化方式。這種優(yōu)化方式的原理是將讀寫器的工作頻率進(jìn)行定期隨機(jī)改變，而且由于標(biāo)簽的能量來源為讀寫器，所以在采用跳頻優(yōu)化方式時，不需要對標(biāo)簽部分進(jìn)行重新設(shè)計。另外對于同一區(qū)域內(nèi)有多個讀寫器運(yùn)行的情況，需要通過控制系統(tǒng)將讀寫器的工作頻率進(jìn)行合理劃分，并使讀寫器在相應(yīng)的頻段范圍內(nèi)跳頻，避免同頻干擾現(xiàn)象的發(fā)生。

3.5 模糊點(diǎn)消除

通過電路設(shè)計過程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RFID系統(tǒng)中只存在一個解調(diào)器時，系統(tǒng)運(yùn)行中會生成模糊點(diǎn)，影響設(shè)備使用，所以需要在電路中設(shè)置另一個解調(diào)器，以消除模糊點(diǎn)，設(shè)計的最終目的為確定微帶線上兩個解調(diào)器間距。本文設(shè)計的電路中，解調(diào)器的兩個二極管間距為微帶線長度的1/4，在此基礎(chǔ)上計算得到，要對模糊點(diǎn)進(jìn)行消除，兩個解調(diào)器間距應(yīng)滿足條件：

通過對構(gòu)建電路的建模仿真可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路中的兩個解調(diào)器符合計算該間距要求時，讀寫器使用過程中將不會出現(xiàn)模糊點(diǎn)。

4 結(jié)語

綜上所述，RFID系統(tǒng)電路設(shè)計中，需要對讀寫器和標(biāo)簽系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計，其中讀寫器電路設(shè)計較為復(fù)雜，需要在了解相關(guān)原理的情況下設(shè)計。電路優(yōu)化過程中，將主要對混頻器電路、混頻管間距、帶通濾波器和工作頻率進(jìn)行優(yōu)化。同時，在接收電路設(shè)計中，通過解調(diào)電路間距的合理設(shè)計會消除模糊點(diǎn)，保證RFID系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。