1 引言

無線射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）是結(jié)合了無線電、芯片設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的新技術(shù)，尤其近年來超高頻（UHF）的標(biāo)準(zhǔn)ISO18000-6C的制訂及其系統(tǒng)的開發(fā)，使得RFID應(yīng)用前景更為廣闊。通常一套UHF RFID系統(tǒng)包括標(biāo)簽，讀寫器，天線和后臺(tái)控制器等=，見圖1，其中讀寫器是設(shè)計(jì)難度大，很重要的部件之一。標(biāo)簽和讀寫器間的通信是采用反向散射原理將標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶x寫器，這樣就需要讀寫器發(fā)射載波信號(hào)攜帶回標(biāo)簽的數(shù)據(jù)=，這樣的工作方式就存在接收標(biāo)簽信號(hào)的同時(shí)，發(fā)射鏈路一直在發(fā)射載波信號(hào)。如果收發(fā)鏈路隔離差，就會(huì)存在發(fā)射鏈路的載波信號(hào)泄漏到接收鏈路過強(qiáng)導(dǎo)致接收鏈路飽和，線性惡化和發(fā)射載波信號(hào)的相位噪聲影響接收信號(hào)解調(diào)而無法識(shí)別標(biāo)簽數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的讀寫器設(shè)計(jì)采用收發(fā)天線分離，增加收發(fā)信號(hào)的隔離度，避免發(fā)射載波信號(hào)泄漏過強(qiáng)，但該種讀寫器的體積比較大，成本高，需要多天線，安裝麻煩。本文采用零中頻方案，通過仿真分析收發(fā)單天線讀寫器的射頻模塊指標(biāo)設(shè)計(jì)，克服收發(fā)單天線讀寫器比收發(fā)雙天線隔離度差的問題，制定出合理的發(fā)射載波信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)和接收鏈路噪聲系數(shù)及P1dB壓縮點(diǎn)指標(biāo)，從而設(shè)計(jì)出UHF頻段（902MHz-928MHz）高集成度的2組收發(fā)單天線讀寫器射頻模塊，其輸出功率能達(dá)到1W，讀標(biāo)簽的距離可以達(dá)到5米以上。

圖1 RFID系統(tǒng)組成框圖

2 仿真及分析

本文采用零中頻方案，如圖2所示的兩組收發(fā)單天線射頻模塊設(shè)計(jì)框圖。為比較分析，給出圖3所示的兩組收發(fā)雙天線射頻模塊框圖。

圖2 兩組收發(fā)單天線射頻模塊框圖

圖3 兩組收發(fā)雙天線射頻模塊框圖

本文仿真分析收發(fā)單天線的難點(diǎn)即發(fā)射天線回波信號(hào)（載波）的強(qiáng)度及其相位噪聲對(duì)接收機(jī)接收標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)的影響，根據(jù)分析結(jié)果來確定發(fā)射載波相位噪聲，接收機(jī)輸入噪聲系數(shù)以及輸入P1dB壓縮點(diǎn)這三個(gè)重要的射頻模塊指標(biāo)。設(shè)定讀寫器需要讀到5m以外的標(biāo)簽，發(fā)射輸出信號(hào)功率1W，標(biāo)簽反射50%的輸入信號(hào)［5］，一般標(biāo)簽正常工作需要50uW（-13dBm）的接收功率，根據(jù)上述條件以及自由空間電磁波傳輸模型公式［5］可以計(jì)算出讀寫器接收到的標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)功率P（TR），標(biāo)簽接收到讀寫器的信號(hào)功率P（RT），假設(shè)標(biāo)簽偶極子天線增益1.64， 發(fā)射天線增益6dBi， 工作頻率為915.25MHz.

P （RT） =30dBm+6dB+10log （1.64）+20log （3/9.1525）-20log （4*3.14*5）

=-7.5dBm》-13dBm

P（TR）=10log（P（RT）*0.5）-（30+7.5）dB

=-48.0dBm

假設(shè)天線回波損耗-15dB，則天線反射回接收鏈路的發(fā)射載波信號(hào)功率P（CW），

P （CW） =30dBm-15dB=15.0dBm

設(shè)定低噪放前的器件（開關(guān)，定向耦合器，濾波器）損耗為5.5dB， 另外一般PR-ASK信號(hào)（250KHz， Tari=25us， X=0.5）的解調(diào)需要10dB信噪比。

根據(jù)上述分析及假設(shè)，在Agilent ADS2008中建立如圖2接收鏈路分析模型，天線口輸入-51.5dBm（考慮邊帶有用信號(hào)僅為P（TR）的50%， 靈敏度小于有用信號(hào)），中心頻率915.50MHz的PR-ASK信號(hào)（250KHz，Tari=25us，X=0.5標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)）疊加功率為15.0dBm，中心頻率為915.25MHz的單音信號(hào)（包含相位噪聲），該信號(hào)的建立符合ISO18000-6C（FCC）規(guī)范［1］。通過仿真分析確定接收機(jī)的輸入P1dB壓縮點(diǎn)需要17.1dBm左右; 輸入噪聲系數(shù)可以很大，小于40dB即無影響; 發(fā)射載波信號(hào)的相位噪聲要小于-128.5dBc/Hz（偏移250KHz）， 該指標(biāo)的設(shè)計(jì)有較大難度，但對(duì)收發(fā)單天線性能非常重要，可以通過改善天線駐波和增益來減輕該指標(biāo)的設(shè)計(jì)，另外因?yàn)樵肼曄禂?shù)要求低，輸入P1dB壓縮點(diǎn)要求高，本文通過在低噪放前加入衰減器來減輕對(duì)低噪放壓縮點(diǎn)的要求。

根據(jù)上述分析可見收發(fā)單天線方案因?yàn)槠涓綦x度只有15dB導(dǎo)致其發(fā)射信號(hào)相位噪聲和接收鏈路P1dB壓縮點(diǎn)指標(biāo)要求很高。而收發(fā)雙天線方案的隔離一般能達(dá)到40dB， 因此其發(fā)射信號(hào)相位噪聲和接收鏈路P1dB壓縮點(diǎn)指標(biāo)的設(shè)計(jì)較容易，但其成本高，復(fù)雜。

3 測(cè)試結(jié)果

按照上述仿真分析結(jié)果，本文采用零中頻方案，設(shè)計(jì)出高集成度收發(fā)單天線的UHF 頻段的RFID讀寫器射頻模塊，其實(shí)物如圖4所示，尺寸：長×寬×高=53.5mm×51.5mm×6mm。

圖4 兩根收發(fā)單天線射頻模塊實(shí)物圖

本文實(shí)際在天線口加耦合器測(cè)量調(diào)制模式為DSB-ASK （400KHz，Tari=6.25us， X=0.5）和PR-ASK （250KHz， Tari=25us，X=0.5）兩種情況下輸出信號(hào)功率和信號(hào)頻譜及其模板。兩種情況下的輸出功率都達(dá)到1W，其中調(diào)制模式為DSB-ASK的發(fā)射信號(hào)輸出頻譜見圖5（包含載波信號(hào)），其疊加標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)頻譜如圖6；另外調(diào)制模式為PR-ASK的發(fā)射信號(hào)輸出頻譜見圖7（包含載波信號(hào)），其疊加標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)頻譜如圖8。從測(cè)試結(jié)果來看DSB-ASK信號(hào)完全滿足ISO18000-6C的密集讀寫器情況下的頻譜模板（第一鄰道和主信道功率比小于-30dBc; 第二鄰道和主信道功率比小于-60dBc；第三鄰道和主信道功率比小于-65dBc）。但PR-ASK信號(hào)在第二鄰道差5dB，經(jīng)查證和輸入基帶信號(hào)差相關(guān)。

圖5 DSB-ASK發(fā)射輸出信號(hào)頻譜

（頻率：915.25MHz;400KHz，Tari=6.25us，X=0.5）

圖6 DSB-ASK發(fā)射輸出信號(hào)疊加標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)頻譜（黃色）；發(fā)射輸出信號(hào)頻譜（藍(lán)色）

（頻率：915.25MHz;400KHz，Tari=6.25us，X=0.5）

圖7 PR-ASK發(fā)射輸出信號(hào)頻譜

（頻率：915.25MHz;250KHz，Tari=25us，X=0.5）

另外，本文還進(jìn)行了讀寫器讀標(biāo)簽試驗(yàn)，采用6dBi的天線，測(cè)量調(diào)制模式為PR-ASK （250KHz， Tari=25us， X=0.5）的讀寫器的讀標(biāo)簽的能力，其可以讀到距離天線以外5.5m處的標(biāo)簽。單個(gè)標(biāo)簽距離讀寫器3.8m處的讀標(biāo)簽速度可達(dá)32個(gè)/秒。

圖8 PR-ASK發(fā)射輸出信號(hào)疊加標(biāo)簽應(yīng)答信號(hào)頻譜（黃色；發(fā)射輸出信號(hào)頻譜（藍(lán)色）

（頻率：915.25MHz;250KHz，Tari=25us，X=0.5）

4 結(jié)論

本文按照ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)的要求采用零中頻方案建立仿真模型來分析UHF頻（902MHz-928MHz）RFID讀寫器在收發(fā)單天線條件下射頻模塊的設(shè)計(jì)，給出了發(fā)射載波相位噪聲，接收機(jī)輸入噪聲系數(shù)以及輸入P1dB壓縮點(diǎn)這三個(gè)重要的射頻模塊指標(biāo)的分析結(jié)果，最后根據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)該高集成度的射頻模塊的實(shí)物，長*寬*高尺寸僅53.5mm*51.5mm*6mm大小。測(cè)試結(jié)果顯示信號(hào)頻譜模板性能指標(biāo)達(dá)到ISO18000-6C（FCC）的密集型讀寫器的相關(guān)要求，實(shí)際其讀標(biāo)簽的距離和速度均達(dá)到較高水平。該收發(fā)單天線方案射頻模塊的設(shè)計(jì)極大的縮小了傳統(tǒng)收發(fā)雙天線的讀寫器的尺寸及降低了成本。