如何采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

　　超高频射频识别（UHF RFID）系统已广泛应用于资产管理、服装零售等领域。近年来，它们在无人售货超市和汽车电子标识应用方面也获得了广泛的关注。本文介绍基于ADI公司的信号链的UHF RFID读卡器射频前端的两种实现方法。一种实现方法基于 ADF9010 和 AD9963，另一种则基于AD9361。本文主要关注中国 市场的汽车电子标识这一目标应用领域，这种电子标识必须符合中国标准GB/T 29768-2013“信息技术—射频识别—空中接口协议（800/900 MHz）”1 和GB/T 35786-2017“机动车电子标识读写设备通用规范”2。与分立式双组件实现方案相比，这个基于AD9361的解决方案大大降低了设计复杂度，减少了组件数量和板空间，但接收器的灵敏度也有所下降。虽然本文描述的射频前端针对特定应用，但是分析方法和前端本身都适用于一般的 UHF RFID读卡器解决方案。

标准汇总

根据GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017《机动车电子标识标准》，表1至表3总结了适合这些应用的高性能2类读卡器的关键空中接口参数和性能要求。
表1. 标签读卡器物理MAC层关键参数汇总参数描述频率范围920 MHz 至 ~925 MHz占用带宽(OBW))250 kHz通道中心频率920.125 + 0.25 n (0 ≤ n ≤ 19) MHz邻道泄漏比(ACLR)邻道: <–40 dB
隔道: <–60 dB读卡器最大ERP通道0和通道19：20 dBm
通道1至通道18：33 dBm读卡器带外发射见表2调制类型DSB-ASK, SSB-ASK调制深度30% 至 ~100%数据编码截断脉冲位置(TPP)Tari6.25 μs 或 12.5 μs表2. 读卡器带外发射要求
频率范围限值 (dBm)测量带宽检波器模式最大输出功率模式
30 MHz to ~1 GHz–36100 kHzrms
1 GHz to ~12.75 GHz–301 MHz806 MHz to ~821 MHz
825 MHz to ~835 MHz
851 MHz to ~866 MHz
870 MHz to ~880 MHz
885 MHz to ~915 MHz
930 MHz to ~960 MHz–52100 kHz1.7 GHz to ~2.2 GHz–47100 kHz待机模式
30 MHz to ~1 GHz–57100 kHz1 GHz to ~12.75 GHz–47100 kHz表3. 2类读卡器关键性能要求项目限值接收器灵敏度≤–65 dBm静态模式下的读取距离≥25 m静态模式下的写入距离≥12 m动态识别性能车速≤ 150 km/h:
成功读取芯片标识符数据库和车辆登记数据库中的信息

150 km/h < 车速 ≤ 200 km/h:
成功读取芯片标识符数据库中的信息

系统链路预算分析

无源RFID系统有两个基本的链路限制：对于正向链路，标签需要将接收到的读写器发射的射频功率转换成直流，让自身的电子设备工作起来。通常情况下，前向链路的限制在于此。反向链路则受读卡器接收器灵敏度限制。正向和反向链路预算公式3, 4 如公式1至公式3所示：

Prip: 标签接收各向同性功率
Ptx: 读卡器发射功率
Gtx: 读卡器发射天线增益
Gtag: 标签天线增益
FSPL: 自由空间路径损失
Prx: 读卡器接收信号功率
Grx: 读卡器接收天线增益
ƞmod: 标签调制效率
d: 读卡器和标签之间的距离
λ: 自由空间中的信号波长
根据GB/T 35786-2017第6.2节和第6.5.2.2节的定义，Ptx为30 dBm，馈线插入损耗小于1 dB，所以实际的Ptx约为29 dBm。现场测试采用10 dBi到12 dBi增益的天线，所以假设Gtx为12 dBi。对于Grx，在汽车电子标识应用中，读卡器通常采用单天线配置，而读卡器使用单根天线进行传输和接收，因此Grx = Gtx = 12 dBi。标签天线通常类似于偶极子天线，可以合理地假设Gtag = 2 dBi。modd代表标签的调制效率，由标签反向调制读写器的发射信 号时，标签天线匹配和标签阻抗漂移决定，可以合理地假设 mod= –8 dB。中心频率为922.5 MHz，所以λ= 0.33 m。图1所示的系统链路预算基于前面描述的公式和参数计算得出。



图1. 正向和反向链路预算计算。
为了支持标准中定义的25米链路范围，标签灵敏度应该高于–18.7 dBm，读卡器灵敏度应该高于–70.4 dBm。在该标准中，标签灵敏度要求被定义为–18 dBm，与分析结果高度吻合。但是，读卡器的灵敏度要求被定义为 –65 dBm，与分析结果相比存在较大偏差。这种偏差可能来自于标签天线的增益值。在汽车电子标识应用中，不需要将标签天线设计成全向的。增加一个反 射器将导致天线增益增加3 dB。由于标签天线增益(Gtag)在公式2中为平方值，所以读取器的灵敏度分析结果将增加6 dB，达到–64.4 dBm。在这种情况下，分析结果符合标准要求。

UHF RFID读卡器中的自我干扰器

在UHF RFID系统中，读取器在发送连续波(CW)信号为无源标签供电时，会同时以相同频率接收来自标签的反向散射信号。由于发送器-接收器之间的隔离性能欠佳，强连续波信号和相关的发送器噪声会泄漏到接收器中。通常这种泄漏信号被称为自干扰(SJ)信号，它会降低读卡器的灵敏度。
在汽车电子标识应用的RFID读卡器中，定向耦合器通常用作发射器和接收器的双工器。SJ信号的产生主要是由于天线的反射、定向耦合器的隔离都有限以及连接到耦合器耦合端口的电路反射造成的。
可以使用两种方法来克服这个SJ信号问题。第一种方法是在接收器LNA之前设计一个自干扰消除(SJC)电路。第二种方法是使用零中频接收器架构，而且发射器和接收器使用的相同的本地振荡器(LO)。在这种情况下，自干扰信号将在基带转换为直流，然后使用隔直电容对信号进行交流耦合。在这个隔直点后，去除了SJ信号，后续元件的动态范围要求随之放宽。这意味着在基带上可增加足够的增益以降低接收器的噪声系数(NF)。这两种方法可以单独使用，也可以结合使用。一个典型的SJC电路如图2所示。5



图2. 典型的自干扰消除电路。