4天线超高频RFID读写器核心模块设计

　　0 引言

　　射频识别技术(RFID)是一种利用无线射频技术在读写器和标签之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换目的的自动识别技术[1]。近年来，超高频射频识别技术(UHF)发展迅速，在国内，UHF RFID的实际应用已涉及多个方面[2-3]。目前，已有一大部分企业自主研发出UHF读写器，如西安航天自动化股份有限公司、深圳远望谷、深圳拙进等公司。

　　传统RFID读写器仅限于单通道或2通道读取标签，这使得RFID读写器群读能力、辐射范围、读写方位等受限。因此，本文设计出4天线RFID读写器核心模块，目的是提高RFID读写器的群读能力、辐射范围，读取标签时不受标签方位的影响，实现瞬间内读取多张标签，提高读取标签数量，以保证识别率，使用户在较少设备下实现高性能的读取效果，为用户节省应用成本。

　　本文使用Impinj R2000读写器芯片完成标签的读、写操作。为了提高射频信号的功率，外部使用了功率放大器以增加射频信号的发射功率。为了实现4天线射频信号的输入、输出，采用了RFMD公司生产的RF1604芯片作为射频开关。最后，根据现场需要，通过信号分析仪对各个天线在不同功率设置下进行了现场测试。测试结果表明：4个天线端功率输出均能满足现场需求，性能良好，符合设计要求。

　　1 RFID系统概述

　　典型的射频识别系统一般由RFID标签、RFID读写器、外置天线、应用软件系统及执行机构等部分组成。其工作原理如图1所示。

　　RFID系统的基本工作原理是[1-2]：RFID读写器可以通过外置天线发射出某一特定频段的射频信号;当携带载体信息的RFID标签进入到读写器的读写区域时，在RFID标签内会耦合产生感应电流，进而将RFID标签激活，从而使得RFID标签携带的载体信息通过其内置天线发射出去;当RFID天线接收到此信号时，将此信号传送到RFID读写器进行解码操作，完成了标签的读操作;RFID读写器可将解码后得到的信息传送到后台应用软件系统进行识别，进而可以控制相关执行机构的动作，以达到自动识别、自动执行的目的。

　　2 读写器核心模块设计

　　2.1读写器模块架构

　　4天线读写器模块架构主要由以下模块组成[4-5]：Impinj R2000读写器芯片;主控单元ARM;功率放大器;射频耦合器;4天线选择网络RF1604;各通信接口。具体如图2所示。

　　2.2 RF1604简介

　　RF1604是RFMD公司推出的新型单极四投(SP4T)开关，专为要求极低插入损耗、高功率处理能力和最低直流耗能的开关应用设计。

　　RF1604采用非常小巧的2.5 mm×2.5 mm、12引脚且无铅的QFN封装。其工作电压为2.2 V~2.7 V，推荐工作电压为2.5 V。在0.5 GHz~1.0 GHz时，RF1、RF2、RF3、RF4的插入损耗为0.4 dB~0.55 dB，最大控制功率为+36 dBm。

　　RF1604封装图如图3所示。

　　各引脚功能如表1所示。

　　4天线选择控制信号真值表如表2所示。

　　2.3 射频输出硬件电路设计

　　硬件电路设计如图4所示，在射频开关RF1604的射频信号输入、输出端进行了阻抗匹配设计，在产品调试时可通过信号分析仪测得的射频功率信号，通过调节线路上的阻容元件以实现输入、输出的阻抗匹配操作，保证信号在传输过程中能够实现最大功率传输。

　　2.4 射频输出PCB设计

　　射频信号在传输过程中，对PCB板的设计提出了更好的要求。如果设计不当，工作时会使电路板内的电源电压和地电平产生波动，导致信号波形产生尖峰过冲、衰减震荡、反射、串扰等问题，严重影响产品的稳定性和功能[6]。

　　因此，为了减小射频信号传输线路上的回波损耗及消除串扰，在设计PCB时，从布局、布线两个方面进行设计考虑。

　　另外，在布线时，采用了3W规则法。

　　2.5 基于ADS的系统仿真分析

　　在设计时采用ADS软件进行阻抗匹配分析，使得输出获得最大的功率信号，提高产品的设计成功率，如图5所示。

　　由图5的Smith圆图可以看出，射频开关与各天线输出之间的线路阻抗匹配，满足设计要求。

　　3 四天线工作软件部分设置

　　4天线UHF RFID读写器核心模块设计完成后，软件部分设置前向功率、反向功率，其校准曲线如图6所示。

　　4 性能测试

　　RFID超高频中国频段为：920 MHz~925 MHz，根据实际现场需要，使用专用测试工具分别对1~4号天线的输出功率、频率设置为30 dbm、922.5 MHz。

　　为验证4天线RFID读写器模块的输出功率，采用信号分析仪进行了现场测试，如图7所示。

　　由图7可以看出，4天线RFID读写器1~4号天线的输出功率性能良好，输出功率均能满足设计要求。

　　采用矢量网络分析仪测得超高频RFID读写器模块4个天线输出端的Smith圆图如图8所示。

　　通过图8可以看出，4天线RFID读写器4个天线输出端在工作频率为922 MHz时，其阻抗匹配接近50 Ω，符合设计要求。

　　另外，根据现场需求，对15 m以外的标签进行了批量读取，通过专用测试工具可以得到RFID读写器读到的标签类型及标签数量，如图9所示。

　　5 结论

　　为了提高RFID读写器的群读能力、辐射范围、读取率，读取标签时不受标签方位的影响，本文基于Impinj R2000读写器芯片，使用RFMD公司生产的RF1604DS芯片完成了一款4天线端口读写器核心模块的硬件电路原理图与PCB的设计。同时，对4天线工作时的软件部分相关寄存器的设置进行了分析，最后通过信号分析仪对天线端在不同功率需求下进行了现场测试，测试结果表明：4天线UHF RFID读写器核心模块具有良好的性能、输出功率均能满足现场需求，符合设计要求，具有很好的市场前景。

　　参考文献

　　[1] 周晓光，王晓华.射频识别(RFID)技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2006.

　　[2] ZELLER K F.射频识别技术(第三版)[M].吴晓峰，陈大才，译.北京：电子工业出版社，2006.

　　[3] INC E P C. EPC radio-frequency identity protocols class- 1Generat ion-2 UH F RFID protocol for communications at 860 MHz~960 MHz[S]. 2004.

　　[4] 章小城，向伟，徐丹.基于Intel R1000芯片的超高频手持式读写器设计[J].计算机与数字工程，2008，36(9)：198-200.

　　[5] 黄志敏，李鹏，高远.基于Intel R1000的超高频RFID读写器设计[J].现代电子技术，2009，6(16)：57-60.

　　[6] 黄会雄，袁海鹰.射频电路PCB板电磁兼容设计方法与技巧[J].产品测试与解决方案，2009，6(16)：57-60.