RFID設(shè)備天饋口防雷技術(shù)研究

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，RFID技術(shù)已在眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其中固定式閱讀器的應(yīng)用場(chǎng)景尤為豐富，且室外型閱讀器占比最大。然而，室外型閱讀器的工作場(chǎng)景復(fù)雜，極易受到雷擊干擾，輕則影響設(shè)備的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致設(shè)備短路。因此，對(duì)于室外RFID設(shè)備而言，防雷設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在室外RFID設(shè)備的接口防雷設(shè)計(jì)中，天饋口的防雷設(shè)計(jì)最為困難，因?yàn)榉览灼骷?、防雷電路極易影響射頻鏈路的匹配，從而影響設(shè)備的射頻指標(biāo)。目前，業(yè)界大都采用外置防雷器的解決方案，但該方案工程實(shí)施難度大、成本高，防護(hù)效果不穩(wěn)定。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種新型的RFID設(shè)備天饋口防雷方案，與設(shè)備一體設(shè)計(jì)，成本低廉，并且經(jīng)過(guò)雷擊測(cè)試驗(yàn)證，證明其有效且可靠，可以保障設(shè)備在雷擊高發(fā)區(qū)域依然能夠穩(wěn)定工作，對(duì)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線射頻識(shí)別；天饋；防雷；抗干擾；閱讀器設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛[1-3]。RFID 技術(shù)是一種通過(guò)無(wú)線電磁波在標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)識(shí)別技術(shù)[4-6]，其作為物聯(lián)網(wǎng)采集層的重要組成部分，已被應(yīng)用于諸多行業(yè)和場(chǎng)景[7]。閱讀器設(shè)備是RFID系統(tǒng)的重要組成部分[8]，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)采集層場(chǎng)景。在閱讀器中占比最大的是室外型設(shè)備[9]，這類(lèi)設(shè)備被安裝在各種應(yīng)用環(huán)境中[10-12]，需要面對(duì)復(fù)雜多變的工作場(chǎng)景和不同的工程實(shí)施條件。室外型閱讀器極易受到雷擊干擾，輕微的雷擊干擾可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備離線、工作中斷等問(wèn)題；若雷擊干擾較強(qiáng)，且缺少有效的防護(hù)措施，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備電路被燒毀，造成重大損失。

當(dāng)前，各個(gè)設(shè)備廠商已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到防雷方案的重要性，并開(kāi)展了相應(yīng)的研究。對(duì)于室外型閱讀器，接口防雷設(shè)計(jì)中最為困難的是天饋口防雷，因?yàn)楦黝?lèi)防雷器件或者方案極易影響射頻鏈路的匹配，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備關(guān)鍵射頻指標(biāo)的惡化，直接體現(xiàn)為設(shè)備的工作范圍縮小，使用效果變差。目前業(yè)界較多使用外置集成的防雷器作為天饋口防雷方案，但該方案存在明顯弊端：防雷器占用額外空間，增加了工程實(shí)施難度，同時(shí)也帶來(lái)較大的成本負(fù)擔(dān)。

本文針對(duì)行業(yè)對(duì)室外型閱讀器天饋口防雷的要求，分析了目前業(yè)界方案存在的問(wèn)題；提出了一種新的國(guó)產(chǎn)化天饋口防雷設(shè)計(jì)方案；在實(shí)際的產(chǎn)品中予以實(shí)施，并通過(guò)防雷測(cè)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

1 問(wèn)題的提出

1.1 現(xiàn)有方案的問(wèn)題

根據(jù)行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，室外型RFID設(shè)備的天饋口防雷系統(tǒng)需要通過(guò)5 kA的沖擊電流測(cè)試，以確保設(shè)備可以在雷擊高發(fā)區(qū)域穩(wěn)定工作。采用目前傳統(tǒng)的防雷方案，在做雷擊測(cè)試時(shí)，低等級(jí)的測(cè)試可以通過(guò)，但當(dāng)測(cè)試條件提升為5 kA時(shí)，系統(tǒng)防雷性能不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)射頻接口附近微帶線被雷擊電流燒毀熔斷的現(xiàn)象，如圖1所示。這一現(xiàn)象不僅在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中有所體現(xiàn)，在實(shí)際使用的設(shè)備中也會(huì)發(fā)生。

1.2 問(wèn)題分析

由于射頻端口性能和單板阻抗匹配等限制，現(xiàn)有方案中PCB射頻鏈路微帶線的通流能力有限。因此，設(shè)備天饋口的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一部分為整機(jī)內(nèi)部的防雷方案，需要承受2 kA的沖擊電流，以滿足整機(jī)在室內(nèi)、少雷區(qū)等環(huán)境的防雷需要；另一部分為外置天饋防雷器的整機(jī)防雷模式，需要承受5 kA的沖擊電流，以滿足整機(jī)在雷電高發(fā)區(qū)的防雷需要。

第一部分通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，整機(jī)設(shè)計(jì)可以滿足2 kA的防雷要求，防雷設(shè)計(jì)主要通過(guò)內(nèi)部的氣體放電管來(lái)泄放沖擊電流，并利用電容來(lái)泄放氣體放電管的殘壓。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

第二部分在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)防雷性能不穩(wěn)定，有時(shí)能夠通過(guò)測(cè)試，有時(shí)單板PCB射頻鏈路微帶線燒毀斷裂，無(wú)法滿足系統(tǒng)的防雷需求。第二部分方案的示意圖如圖3所示。

從防雷設(shè)計(jì)原理分析，防雷器內(nèi)部為一個(gè)氣體放電管，設(shè)備板內(nèi)核心器件也是一個(gè)氣體放電管，而且二者之間沒(méi)有退耦器件，那么整個(gè)射頻端口的防護(hù)就是兩個(gè)氣體放電管并聯(lián)，等效關(guān)系如圖4所示。雷擊發(fā)生時(shí)，沖擊電流可能會(huì)首先通過(guò)板內(nèi)氣體放電管進(jìn)行泄放，因此現(xiàn)有的防雷方案會(huì)存在防護(hù)不穩(wěn)定、防護(hù)等級(jí)不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。

2 天饋防雷設(shè)計(jì)方案

本文方案設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到的效果是：雷擊發(fā)生時(shí)外置天饋防雷器先被觸發(fā)進(jìn)而泄放掉大部分的能量，后級(jí)的整機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的放電管再啟動(dòng)，泄放掉前級(jí)天饋防雷器的殘壓，從而將殘壓控制在系統(tǒng)可承受的范圍之內(nèi)。

氣體放電管有一個(gè)很重要的指標(biāo)，瞬態(tài)擊穿電壓，目前業(yè)界使用的氣體放電管部分參數(shù)如圖5所示。

由上述參數(shù)可知，當(dāng)使用1 kV/μs的波形時(shí)，電壓達(dá)到550 V或者550 V下限一定區(qū)間范圍內(nèi)就會(huì)觸發(fā)擊穿。而雷擊測(cè)試時(shí)使用的模擬波形時(shí)間為8/20 μs，經(jīng)過(guò)計(jì)算，大約0.7 μs即可觸發(fā)擊穿。若外置的防雷器放電管的瞬態(tài)擊穿電壓的參數(shù)值和系統(tǒng)內(nèi)部放電管的參數(shù)相近，且考慮到每個(gè)氣體放電管自身存在10%～20%的上下區(qū)間差異，就很可能導(dǎo)致后級(jí)的氣體放電管先觸發(fā)，通流能力很差的PCB射頻微帶線就會(huì)被燒毀擊穿。天饋口至氣體放電管部分PCB微帶線如圖6所示。

這樣便合理地解釋了為何同樣的方案會(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)榧幢闶峭粋€(gè)防雷器件供應(yīng)商，若是不同批次的氣體放電管，自身的瞬態(tài)擊穿電壓參數(shù)也是有離散差異的。由此看來(lái)，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案仍存在不足，無(wú)法保證外置天饋防雷器在沖擊電流到來(lái)時(shí)能夠先于系統(tǒng)內(nèi)部的氣體放電管觸發(fā)。而當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的氣體放電管率先觸發(fā)時(shí)，受限于阻抗約束的射頻微帶線的通流能力差，極易出現(xiàn)熔斷斷裂的現(xiàn)象。

2.1 思路驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述設(shè)想，對(duì)其開(kāi)展了兩項(xiàng)驗(yàn)證：

實(shí)驗(yàn)一：去掉系統(tǒng)前級(jí)的防雷器，對(duì)系統(tǒng)整機(jī)做5 kA、8/20 μs的沖擊電流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)伟錚CB走線斷裂，與之前出現(xiàn)的現(xiàn)象相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：PCB走線斷裂是由于單板內(nèi)的防雷設(shè)計(jì)無(wú)法滿足5 kA沖擊電流而造成的。

實(shí)驗(yàn)二：去掉整機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的氣體放電管，只使用外部的防雷器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：?jiǎn)伟錚CB走線完好，測(cè)試單板器件，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管損壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：外置防雷器的放電管可以泄放掉大部分的能量。單板PCB走線可以承受防雷器殘壓的能量，但是單板上的個(gè)別器件卻不能承受防雷器的殘壓，會(huì)被防雷器的殘壓損壞。

2.2 設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案無(wú)法保證外置天饋口防雷器在沖擊電流來(lái)臨時(shí)能先于系統(tǒng)內(nèi)部的氣體放電管觸發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的氣體放電管先觸發(fā)，薄弱通流的走線就會(huì)出現(xiàn)熔斷斷裂的現(xiàn)象。

鑒于RFID系統(tǒng)的天饋電路設(shè)計(jì)的特殊性，無(wú)法在前置的防雷器和系統(tǒng)天饋口之間增加退耦器件來(lái)保證外置防雷器先觸發(fā)而系統(tǒng)內(nèi)置氣體放電管后觸發(fā)。因此，外置防雷器的方案存在局限性和顯著不足。需要設(shè)計(jì)一種防雷電路，當(dāng)雷擊來(lái)臨時(shí)，其能更快啟動(dòng)，泄放更多能量，且殘壓更低。為了保證新的前置防雷電路能夠先于系統(tǒng)內(nèi)的氣體放電管觸發(fā)而泄放掉大部分的能量，在電路上采用了1/4波長(zhǎng)原理的防雷電路來(lái)替代之前使用氣體放電管的防雷器。1/4波長(zhǎng)原理的防雷電路比氣體放電管型的防雷器的啟動(dòng)時(shí)間更短且殘壓更小，而且對(duì)原有射頻鏈路表現(xiàn)出良好的兼容性。其等效為對(duì)地開(kāi)路，因此不會(huì)干擾原有鏈路的匹配和阻抗，同時(shí)也不會(huì)降低射頻前向功率以及反向靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)。

3 方案驗(yàn)證

將采用新型國(guó)產(chǎn)化防雷方案的PCB單板，裝配到整機(jī)設(shè)備中，在實(shí)驗(yàn)室同樣對(duì)整機(jī)天饋口做8/20 μs的沖擊電流實(shí)驗(yàn)。射頻同軸線芯對(duì)線皮做10次5 kA沖擊電流測(cè)試、10次10 kA沖擊電流測(cè)試。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：設(shè)備業(yè)務(wù)測(cè)試正常，端口駐波檢測(cè)正常，關(guān)機(jī)測(cè)量開(kāi)關(guān)管完好，PCB走線完好，設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)與測(cè)試前相比沒(méi)有變化。證明新的設(shè)計(jì)方案行之有效，可以很好地對(duì)RFID設(shè)備的天饋口進(jìn)行雷擊防護(hù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

RFID設(shè)備天饋口防雷設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)可靠性的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。傳統(tǒng)方案存在成本高、安裝復(fù)雜、防護(hù)不穩(wěn)定及可靠性低的弊端。本文深入剖析了現(xiàn)有方案的不足之處，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了新的整體防雷設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本方案可以有效地進(jìn)行雷擊防護(hù)。相比于傳統(tǒng)方案，成本更低、安裝更加簡(jiǎn)便，能夠顯著提高RFID系統(tǒng)的可靠性，也對(duì)其他無(wú)線通信設(shè)備的天饋口防雷設(shè)計(jì)有一定借鑒意義。

如何進(jìn)一步提高天饋口防雷能力、提升防雷方案的魯棒性以及降低防雷電路的成本，將是下一步研究工作的重點(diǎn)。

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