一种长距离125kHz阅读器硬件电路的设计与实现

　　RFID(Radio Frequency Identification)技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID被列为本世纪十大重要技术之一，已成为IT行业的一个重要的应用领域，它有着巨大的市场潜力和价值[1]。

　　现已开发出RFID系统的4个通信频段(系统工作频率)[2]，这些频段是：①低频段(最高到135kHz);②13.56MHz频段;③900MHz频段;④2.4GHz频段。许多低价RFID系统的工作距离会受从阅读器到无源电子标签的功率传输大小的限制。在短距离条件下，由于工作在近场耦合区域，低频工作下从阅读器到应答器的传输功率更大。因此，低频条件下更有利于能量的耦合。工作于低频条件下(125kHz)的RFID系统的优点在于：

　　(1)很好的场穿透特性:可以穿透非磁性材料，比如水、混凝土、塑胶等。

　　(2)有限与可精确控制的工作距离。在有限的工作距离下，这是个较大的优点，例如，在门禁控制、汽车监控系统领域等。

　　(3)可实现低功耗设计，尤其在接收端。

　　(4)低频设计技术(相比于射频电路设计)允许设计者使用低频模拟工具与模块。设计者可使用成熟的运算放大器、比较器和通用示波器。

　　(5)价格较低。可以加入LC谐振电路到微控制器来实现低价收发器[3]。

　　1 长距离125kHz阅读器结构

　　图1为长距离125kHz阅读器的结构框架，它包括高频接口与控制电路两部分。

　　高频接口部分由发射与接收电路两部分组成。发射电路作为RFID系统的一个重要部分，其核心部分是D类功率放大器及其后级匹配电路与天线驱动电路" title="驱动电路">驱动电路。接收电路主要由包络检波" title="包络检波">包络检波电路与后级带通放大" title="带通放大">带通放大电路两部分组成。

　　控制电路的核心是AVR单片机，它主要完成四个功能，图1的注释已写明。

　　2 发射电路的设计与分析

　　图1上部分的四个方框表示发送电路。在设计发送电路的过程中，主要目标是提高发送功率，设计分析功率放大器及后级匹配与天线驱动电路，以达到阅读器与电子标签更远距离识别的目的。

　　2.1 功率放大器选型与理论分析

　　A、B、C类功率放大器效率较低，D类功率放大器的效率理论上可达到100%，并且工作于开关模式下，损耗小，发射功率易得到提升，因此选用D类放大器。

　　其优势在于：①互补的两个功放管推挽工作——“开”态(一个三极管饱和导通" title="导通">导通)时：Ic很大但Vc很小;“关”态(截止)时，Ic趋于零而Vc很大，两者的乘积都很小，即Pc很小，从而实现了高效率放大。②集电极输出电压(或)电流为矩形波，谐波成分丰富，因而输出级需加选频网络，选出基频分量，滤除不需要的谐波分量。这样，在负载上就可以得到所需要的基频电压或电流。③两管电流在等效负载电阻RL上的流向相反，输出电压的偶次谐波互相抵消，输出的最低谐波是三次，负载上的波形比较好。综上所述，D类功率放大器适合作为发射电路功率放大器[4]。

　　电压开关型晶体管D类放大器效率?浊与集电极输出功率分别为：

　　晶体管的饱和压降VCES愈小，电源电压愈高，放大器效率与输出功率愈高。同时，完成输出电路的调谐也是提高输出功率的关键环节。一旦放大器输出回路失谐，会对放大器的输出功率产生不良影响甚至烧坏功放管。

　　实际设计调试要选用晶体管饱和压降比较小的管子，同时尽量提高电源电压，这样可以提高D类功放的工作效率与输出功率。

　　2.2 功放硬件实现与调试结果

　　功率放大器原理图如图2所示，5V方波正脉冲输入时，经过限流电阻R1，耦合电容C1、C2滤除低频分量，再通过二极管与电阻并联回路后，到达三极管的基极，这时，Q2基极电压接近9V，Q2管截止，Q1导通。D1、D2和D3、D4用于稳定功放管基极。R4、R5为发射极限流电阻。两基极并联C3以提高功放管开关速度，降低由开关工作转换不理想带来的损耗。输出级接选频网络，谐振频率为125kHz。5V方波负脉冲(0V)输入的情况与此刚好相反，Q2导通，Q1截止，输出高电平(9V)。

　　调试结果：Q1与Q2的基极波形如图3;功放输出(集电极)的波形如图4。

　　实际调试当中可得出以下结论：①功放管在开关瞬间会有不理想的情况，要选择开关特性好、导通电流大、互补特性好的功放三极管来提升功放性能;②实际调试过程中，主要通过更换互补的功放三极管，观测波形好坏来调试;③适当减小加速电容C3也可以加快功放开关管的开关速度。

　　2.3 功放后级匹配电路的设计与实现

　　匹配网络连接功放输出端与天线，对整个发送电路的影响起到重要作用。其主要功能有：①在功放输出级达到最大功率传输;②将功放输出的方波变为正弦波加载在天线上，并完成滤波作用。实际使用的功放后级匹配网络结构如图5所示。

　　图5中，L1、L2、C1构成功放输出级匹配电路(T型网络)，C2、C3、C4与外接天线(ANT1、ANT2接天线两端)构成天线驱动电路，其中C2是微调电容，用于调谐天线谐振状态。

　　使用Agilent 8753ET矢量网络分析仪进行调试。先断开前级，测量天线驱动电路部分的S(1,1)参数，调整微调电容C2将S(1,1)调整为在125kHz下为一纯阻，使天线驱动电路谐振在125kHz频率上。图6为经过电容微调后得到的S(1,1)参数(扫频范围100kHz～150kHz)[5]。

　　然后，将网络分析仪接到功放匹配电路(T型网络)输入端，调整电感值L1，将S(1,1)调整为在125kHz下为一纯阻，得到的Smith圆图如图7所示。

　　完成阻抗匹配的调节后，天线输出电压幅度达到最大，天线一端(另一端相位相反)输出电压峰峰值可达到61.2V，输出功率已接近2W，发射功率足够大。

　　3 接收电路的设计

　　3.1 包络检波电路

　　包络检波电路原理图如图8所示。

　　R1、D2、C1、R2构成基本的包络检波电路，C2是耦合电容，R3是负载电阻，D3与D4为保护二极管。输出接到带通放大电路。

　　3.2 带通放大电路

　　这部分使用集成运放芯片构成通用的带通滤波放大器。为了提高系统性能，使用了两级放大。其中一级电路(另一级结构相同)图如图9。

　　在运放同相输入端，电阻R2和R3构成电源分压电路，为同相输入端提供比较电压。R3的两端并联了电容C2，起到了相位补偿的作用，提高了电路的工作稳定性，同时R2和C2构成了局部的阻容低通滤波电路，可以在一定程度上滤除高频分量。运放输出级接入了由R5和C4构成的阻容低通滤波电路，可以滤除高频分量，可使送入单片机的标签返回信号波形更加清晰，高频分量小。

　　使用ADS仿真得到电路的带通特性如图10，由图可知通带中心频率为1.6kHz，电路设计完成[6]。

　　图11是在阅读器旁边放置了EM4026电子标签后，再经运放输出级的波形。其中左图显示为码型头部的波形，右图为码型尾部。

　　本文设计并实现了长距离低频125kHz阅读器硬件电路，使用ADS仿真软件进行仿真验证，采用独特的基于网络分析仪的调试方法调试发射匹配电路，并给出调试结果。设计与调试完成后，系统发送功率达到了1.5W以上，阅读器识别距离达到了70cm，实现了长距离识别的目的。