uhfrfid读写器的设计与实现

uhfrfid读写器的设计与实现

rfid通信技术是一种使用rfid技术在读写器和标记之间的非接触双向数据传输的自动识别技术。它用于实现标准识别和数据采集的目标。近年来,射频识别技术尤其是UHFRFID(超高频射频识别)技术发展迅速,得到广泛应用。UHFRFID读写器在欧美开发较早,走在前列,Impinj、AWID、Alien、Intermec、SymbolTechonologies、WJ等国外公司先后推出了支援Gen2的UHF无线标签读写器,而国内在RFID芯片设计上起步较晚,但发展迅速,与国际芯片设计水平的差距在逐渐变小,有一部分企业已经自主研发出UHF频段的读写器,如江苏瑞福、深圳先施、深圳远望谷等。UHFRFID读写器射频前端一般包括四个功能块:发射模块、接收模块、频率合成模块和收发隔离及天线选择模块。发射模块作为射频前端重要组成部分,其性能好坏至关重要。本文根据前面工作所确定的发射模块方案,对发射模块电路进行设计,要求其发射功率、频率精度和载波幅度稳定度等必须达到EPCClass1Generation2协议和FCC标准要求,利用Genesis对发射模块的滤波器进行设计,同时利用其它软件设计其它部分电路,并利用CadenceAllegroPCBEditor15.5绘制整个射频部分的PCB板,并用频谱分析仪等对发射模块进行性能测试,测试结果表明发射模块性能能很好的满足设计要求,同时也注意到发射路对接收路的泄露问题始终是一个难点,这就需要对发射模块的设计以及接收路等其他部分的设计做进一步的优化改进,提高收发隔离度。1发射模块的电路设计发射模块包括滤波器、混频器、功率放大器等部分,其结构图如图1所示。1.1切比雪夫滤波器仿真基带板输出信号为70MHz中频,该中频信号中包含了DAC输出产生的量化噪声以及后面混频部分本振的反向串扰信号,因此需要滤波器滤除干扰。本方案采用LC设计一个中心频率为70MHz,3dB带宽为10MHz左右的切比雪夫滤波器。滤波器阶数定为2阶,带内抖动0.25dB。利用Genesys设计,并将电容电感值进行微调,以满足标称值的要求,设计出来的滤波器电路图如图2所示,仿真结果如图3、图4所示。由仿真结果可见,滤波器的带外衰减可达到30dB以上,反向隔离度可以达到15dB左右,滤波器输出阻抗50Ω良好匹配,并联电感的Q值一定要高,否则滤波器的插损会很大。1.2器件的选用及性能分析由于基带传输的信号功率约为5dBm,经过滤波器衰减后有-2～-5dBm,因此上变频用的混频器需要具备高线性。这里选择的混频器是MACOM公司的MAMXSS0011,FET作为内部混频元件,具体参数如表1所示。由图可知,器件适用于高线性和高动态范围的要求。转换损耗较低,本振要求较高,不需要直流偏置电路。混频后的射频滤波器我们采用张家港燦勤电子的介质滤波器DF915S25A,它具有尺寸小,阻带衰减大,插入损耗低,稳定性高,选择性好,可焊性好,高频率选择性等优点。参数见表2。混频及滤波电路图如图5所示。1.3试验数据及功率放大器的选择射频滤波器输出的信号需要放大到一定功率再从天线发射出去,根据链路预算需要将约-10dBm的信号放大到30dBm,增益约为40dB,再加上指标中规定发射需要功率可调,我们采用加入数控衰减器PE4302的方法,通过6位并行数据线和两位PUP控制线来控制衰减器步进衰减度和初始衰减度,最终实现发射功率可调。功率放大模块的结构如图6所示。PE4302的6位并行数据管脚分别为C0.5、C1、C2、C4、C8、C16,分别代表衰减0.5dB、1dB、2dB、4dB、8dB、16dB。任意数据并行输入,衰减度从0.5dB到31.5dB可调。LE管脚输入高电平时,初始上电衰减度由六位并行数据线控制,输入低电平时,初始上电衰减度由PUP1和PUP2两个管脚确定,具体值如表3所示。控制线如果全置零的话,衰减器表现为直通状态,插损为1.5dB左右,输入1dB压缩点和三阶互调高达34dBm和52dBm,回波损耗也有20dB。增益放大模块输出要到1W(30dBm),我们选择RFMD公司的3V供电的GSM专用射频功率放大器RF5110,该芯片最大能输出36dBm的信号,因为芯片内部由三级放大管组成,增益能达到32dB,而且芯片有两个管脚APC1和APC2用于控制放大增益。功放的隔离度、互调抑制及驻波比等性能都满足设计要求。要驱动RF5110输出30dBm信号,需要将输入信号放大到2dBm左右,我们采用wj公司的高动态范围放大器AH1,该芯片采用5V供电,具有13.5dB的增益,OP1dBm为+22dBm,OIP3为+41dBm。功放模块原理图如图7所示。1.4检测电平的转换功放输出信号通过20dB耦合器1D1304-20分离出来一个20dB衰减的小信号,再将这个小信号输入到RF功率检测器LTC5505-1,得到一个检测电平,这个电平大小代表着功放输出功率的大小,LTC5505-1输入功率范围是-28dBm至18dBm,采用了温度补偿和缓冲检波器输出等技术。然后再将检测电平通过ADC转换为数字信号,ADC采用Linear公司的12bit250kbit/s的LTC1860,差分输入,I/O采用SPI三线模式:输入时钟信号、输入使能信号、输出数据信号。如图8所示。1.5天线选择模块环行器是一个多端口器件,其中电磁波的传播只能沿着单方向环行,反方向则是隔离的。基于环行器这种工作特性,将其应用在RFID读写器射频前端,可以实现发射和接收信号之间一定程度的隔离。发射机信号不会泄漏到隔离端,而是经由天线发送出去,即接收机不会接收到发射机发送的信号,由天线接收的信号则直接进入接收机。我们采用深圳华扬通信的RFID专用环行器HYH504BZ。该环行器的频率范围为902～928MHz,传输方向为顺时针,驻波比VSWR≤1.20,隔离度≥25dB,插入损耗IL≤0.30dB。环行器输出需要经过一个低通滤波器来滤除信号的二次谐波,该滤波器原理图及频率响应如图9所示。天线选择芯片采用SKYWORKS的四天线开关AS221-306,通过配置四个管脚来选择那个天线与通道导通。休眠天线与通道的隔离度为30dB,通道的插损约为0.7dB,驻波比可达1.2∶1。1.6射频部分发射路和接收路根据以上设计出来的电路,我们采用CadenceAllegroPCBEditor15.5绘制整个射频部分(包含发射路和接收路)的PCB图,射频板为4层板,顶层和底层是信号层,中间两层是地层和电源层。射频板PCB绘制图及实物图如图10,图11所示。2发射模块测试结果2.1测试结果及分析信号发生器输入70MHz,5dBm中频载波,进过滤波、上变频、放大后输出射频信号如图12所示。出于保护频谱分析仪的目的,输出信号经过一个30dB衰减器后接到频谱分析仪上,因此显示信号大小需加上30dB为真实信号大小,下面所有测试图均为此情况。由图12可知,输出信号频率915MHz,功率约为24dBm。在通带外有几处杂散频率干扰,其中上变频的镜像频率干扰最大,在775MHz上的镜像频率干扰有32dBc以上的衰减。另外存在的本振泄露845MHz信号更小,有40dBc的衰减。1055MHz上的干扰有45dBc的衰减。这些杂散频率干扰都符合FCC标准的规定,这主要是因为选用的器件隔离性能良好(如混频器本振与射频的隔离),PCB布局合理的结果。相关的测试性能如图13所示,信道功率为24dBm,99%的能量聚集在64.34kHz的带宽中。衰减26dB的带宽为87kHz。发射频率偏差约为22Hz,远远小于指标中的±9.15kHz(±10×10-6)。2.2阶互调信号为了测试系统的互调干扰,我们进行了双音测试。输入间隔1MHz,功率大小0dBm的双音信号,三阶互调信号如图14所示,从图可知,在偏离双音信号1MHz处,抑制大约有-40dBc,说明三阶互调指标良好。输入间隔10MHz,功率大小0dBm的双音信号,三阶互调信号如图15所示,从图可知,在偏离双音信号10MHz处,抑制大约有-40dBc,说明三阶互调指标良好。2.3已调信号包络ADS中构建PIE编码的命令调制信号,通过信号发生器调制到70MHz,输入到发射路输入端,大小5dBm,Tari(零码元的时间长度)为25μs,速率26.6kHz。输出结果如图16所示。从已调信号包络中可知,高电平时包络约为24dBm,低电平时包络约为-6dBm。信道宽度500kHz,信道功率为21.25dBm,功率谱密度-35.74dBm/Hz。占用带宽约为412kHz,26dB衰减带宽为413kHz,小于信道宽度500kHz,发送频率偏差3.5kHz,ACPR为-22.32dBc。3射频版发射路测试本文根据发射模块方案对UHFRFID读写器的发射模块电路进行了设计,绘制包括发射路在内的射频板PCB图并制成实物板,利用频