零中频UHF RFID阅读器设计

1引言

射频识别(Radio Frequency Identification)技术是20世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术，是现代信息技术发展的产物。它利用无线射频方式实现人们对各类物体或人员在不同的状态(移动、静止或恶劣环境)下的自动识别与管理。其最为主要的优点是环境适应性强，与磁卡、IC卡等接触性识别系统不同。因此，射频识别被认为是自动识别技术中最优秀和应用领域最广泛的技术之一。识别的距离可从几十厘米至几米，这是由系统工作频率和标签类型(有源和无源)决定的。射频识别技术适用的领域主要包括：物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合，对于要求频繁改变数据内容的场合尤为适用。

按照阅读器发射频率的不同，RFID系统可以分为低频(125 kHz)、高频(13.56 MHz)、超高频UHF(860～960 MHz)和微波(2.45 GHz，5.8 GHz)等几大类。目前大多数应用中的RFID系统使用的是低频和高频系统。但研究发现，更适合未来、特别是商业供应链中应用的是UHF频段系统。

在选择UHF RFID接收机电路方案的时候，设计复杂度、成本、功耗等是首先需要考虑的因素，常见的2种接收机设计原理包括超外差式和零差式。超外差接收机不仅电路复杂，成本也非常高。本文采用4通道零中频接收技术，使得UHF RFID阅读器设计大为简化，成本低廉，跟同类产品相比具有很高的性价比。

刘翔宇

2019-7-18 10:42:04

2典型RFID系统组成

射频识别系统的组成一般包括2个部分：电子标签和阅读器，如图1所示。

其中，电子标签也常称为标签、射频卡、Tag，而阅读器也常称为读卡器、Reader。1个完整的RFID系统还必须包括PC、阅读器天线、接口电缆、终端监控软件等，有时一个RFID系统还需要跟Internet相连以获得远端的数据信息或跟多个RFID系统相连。

在实际应用中，电子标签附着在待识别物体上，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入感应场时被激活并获取工作所需的能量，然后发送出自身ID等信息，这些信息被阅读器读取并解码后送至电脑主机进行相关处理。通常在阅读器读标签的时候给主机系统传递3个信息：标签ID、读卡器自己的ID、读标签的时间。通过获取这个读卡器的位置，就知道了该产品的位置，以及它是什么产品，然后根据时间数据跟踪标签，就随时随地知道产品的位置。

萧蔼晨

2019-7-18 10:42:14

3 UHF RFID阅读器设计原理

UHF RFID阅读器工作在UHF频段，国际通用的UHF频段就是ISM(工业、科学、医药)公用频段，如865～868 MHz，902～928 MHz等频段，它们分别适用于不同的国家或地区，前者是欧洲使用频段，而后者大多在美国、加拿大等国家使用。超高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远，适应物体高速运动，阅读器天线及电子标签天线均有较强的方向性。

无源UHF RFID采用半双工工作方式，从阅读器到电子标签的数据传输和从电子标签到阅读器的数据传输是交替进行的，但二者之间的能量交换始终存在，如图2所示。与CW雷达系统相似，阅读器和电子标签之间的通信是通过标签反向散射来实现的。

李亮

2019-7-18 10:42:19

4零中频UHF RFID接收机

在选择UHF RFID接收机电路方案时，设计复杂度、成本、功耗等是首先需要考虑的因素，常见的2种接收机设计原理包括超外差式和零差式。超外差接收机不仅电路复杂，成本也非常高；相比之下，零中频接收机只需要一级同频混频器就可以直接得到解调信号(即基带信号)，不仅极大地降低了成本，而且结构非常简单、调测试方便。

本文研制的零中频UHF RFID阅读器接收电路设计原理如图3所示，其中包括4条射频通道、检波电路、差分放大器、限幅电路、负压产生器和ADC。天线用于接收标签反射回的ASK调制波，环行器用于将阅读器收发信号分开。接收到的信号通过环行器直接进入50 Ω微带线，微带线的终端短路。

假设在A点的接收信号为：

其中B(t)是标签内部存储的数据信息，一般为单极性的二进制数据；φ为收发信号之间的相位差，跟阅读器天线和标签之间的距离有关。接收信号在微带线经过三级移相(4路射频通道之间间隔1／8波长)，在B，C，D点分别形成信号如下：

四路ASK信号分别经过二极管检波电路直接解调为一个基带信号(80 kb／s)。本文采用的二极管为安捷伦公司的LM2852，该二极管是零偏置倍压检波二级管，工作频率可达1.5 GHz，不需要任何外置偏置电压，检波最小电平可以达到-55 dBm。无源UHF RFID超外差接收机面临的一个问题是收发之间的隔离，阅读器的接收之路在接收到标签返回的ASK信号时，发射之路仍然要发射CW波，这样收发之间就会存在干扰。阅读器中收发隔离一般大部分都采用环形器，但环行器的隔离度一般仅有-25 dB，难以有效地抑制发射泄漏的强信号，从而降低射频识别系统中接收机的接收灵敏度，主要表现是标签的识别距离将大大降低。所以收发隔离度的大小直接影响系统识别的距离。本文采用的方案是零中频结构，避免了这个问题。

检波后，4路基带信号分别为：

将A路和C路、B路和D路分别经过一个双通道差分运算放大器，将一个差分信号转变成单端信号并放大，用于驱动后端的ADC。本文选用的差分运算放大器是ADI公司的AD8039BR，该器件噪声较低：8 nV／√Hz@100 kHz，350 MHz的增益带宽积。

在DSP进行信号处理前，本文采用AD7827BR将经过放大的模拟信号转变成数字信号。AD7827BR是8位的串行模数转换器，具有1 MS／s的抽样速率和420 ns的转换时间，输入信号范围为0～2 V。为了保护ADC，在ADC变化之前增加了一级限幅电路。由福利斯自由空间公式(Friis free-space formula)可知，在一定条件下，经标签返射回到阅读器的信号大小与二者之间的距离有关。实际使用当中电子标签与阅读器之间的距离是变化的，二者远近的不同，返回ASK信号的强度也不同。为了防止距离过近，返回信号太强毁坏ADC，可以利用二极管和可调电阻器搭建一个限幅电路以保护ADC。ADC之后的数字信号处理器(DSP)负责对来自多个标签的接收信号进行分析，并提供附加的滤波处理。整个电路板结构如图4所示。