張 莉 ，陳 瓊 ，李秀平，王善進(jìn)*

(1.惠州學(xué)院電子科學(xué)系，廣東 惠州 516007;2.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一項(xiàng)利用電磁波通過(guò)空間耦合進(jìn)行無(wú)接觸信息傳遞，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別的技術(shù)。閱讀器、天線(xiàn)和電子標(biāo)簽是構(gòu)成射頻識(shí)別系統(tǒng)的三個(gè)主要部分，一個(gè)更為完整且實(shí)用的RFID系統(tǒng)還必須包括計(jì)算機(jī)、接口電纜、應(yīng)用軟件等，甚至包括通過(guò)internet 相連的多個(gè)RFID 系統(tǒng)。RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)信息非接觸傳輸特點(diǎn)，使之特別適合物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架識(shí)別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場(chǎng)合。

RFID 系統(tǒng)閱讀器的電路一般由射頻信號(hào)發(fā)射、射頻信號(hào)接收、天線(xiàn)以及基帶數(shù)字信號(hào)處理等幾部分組成，信號(hào)的工作頻率為915 MHz，也可以采用國(guó)際通用的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)藥)公用頻段等。系統(tǒng)通信采用閱讀器講話(huà)優(yōu)先原則，工作時(shí)先由閱讀器發(fā)出一系列的讀標(biāo)簽指令，當(dāng)電子標(biāo)簽被閱讀器天線(xiàn)發(fā)出的電磁場(chǎng)激活后，如果能正確解調(diào)出接收的指令，則將本身的ID 信息等數(shù)據(jù)通過(guò)反向散射的調(diào)制方式回發(fā)給閱讀器，閱讀器經(jīng)過(guò)分析處理若能得到正確的標(biāo)簽ID 信息，便完成了目標(biāo)的識(shí)別。

電子標(biāo)簽返回信號(hào)的有效接收和準(zhǔn)確解調(diào)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵步驟之一。鑒于超外差接收機(jī)電路在設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本等因素上的考慮，RFID 閱讀器在選擇接收機(jī)電路時(shí)往往采用零中頻接收機(jī)方案。該方案的優(yōu)勢(shì)在于成本低廉，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，四通道接收電路是常用的一種形式。信號(hào)移相電路是其中的一個(gè)重要組成部分，它的功能是通過(guò)改變射頻信號(hào)的相位，達(dá)到信號(hào)的多路分離，然后將這些相位不同的信號(hào)送往其它的電路單元進(jìn)行解調(diào)處理分析，從而得到標(biāo)簽的信息，其中相位改變的精確度將直接影響到信號(hào)的準(zhǔn)確解調(diào)。改變信號(hào)的相位需要利用移相電路，它可采用分立元件電感、電容實(shí)現(xiàn)，也可利用微帶線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。低頻的情況下，采用分立元件能大為減小PCB 布板之面積，所以采用分立的電感、電容來(lái)設(shè)計(jì)移相電路是常用的方案。但隨著信號(hào)頻率的不斷攀升，器件分布參數(shù)的影響將愈加顯著，此時(shí)采用微帶線(xiàn)理論來(lái)設(shè)計(jì)移相電路便成為了必需［1，3－4］。本文設(shè)計(jì)了915 MHz 射頻識(shí)別閱讀器中的微帶移相電路，其中精確分析了電路結(jié)構(gòu)各參量對(duì)移相性能的影響，最后通過(guò)實(shí)際電路檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)效果。測(cè)試表明，本電路能完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的指標(biāo)要求，采用這種移相電路的RFID 閱讀器工作正常，性能良好。

1 原理

1.1 四通道零中頻檢測(cè)技術(shù)

如圖1所示為RFID 閱讀器四通道零中頻接收電路原理圖，其中移相電路由微帶線(xiàn)設(shè)計(jì)而成，見(jiàn)圖2所示。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)微帶線(xiàn)等間距S 排列，且通過(guò)A點(diǎn)的射頻本振信號(hào)是:

圖1 四通道零中頻接收電路

圖2 微帶移相電路

該信號(hào)經(jīng)過(guò)微帶線(xiàn)依次達(dá)到B、C和D點(diǎn)，如果圖中每相鄰兩點(diǎn)之間的電長(zhǎng)度使該信號(hào)順序產(chǎn)生ψ 的相位差。這樣射頻本振信號(hào)到達(dá)B、C和D點(diǎn)時(shí)，將分別為

而標(biāo)簽返回的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電路中的D點(diǎn)，它可描述為

該信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)移相，在C、B、A點(diǎn)分別形成信號(hào)如下:

在電路的A、B、C和D 各點(diǎn)，輸入混頻電路的信號(hào)除了射頻本振信號(hào)外，還有標(biāo)簽返回的信號(hào)。它們各自相互混頻后再濾掉高頻成分，將分別獲得如下信號(hào)

顯然，v′A和v′C之間，以及v′B和v′D之間的相位差均為4ψ，如果移相電路能準(zhǔn)確保證相位ψ=π/4，則信號(hào)v′A和v′C，以及v′B和v′D將是反相信號(hào)，將它們輸入差分放大器G1和G2進(jìn)行放大，在輸出端就分別能得到兩路相位相互正交的IQ 信號(hào)，從而就能保證系統(tǒng)一定能收到有效的標(biāo)簽返回信號(hào)。

1.2 微帶線(xiàn)移相電路的設(shè)計(jì)

設(shè)微帶線(xiàn)的寬度為W，介質(zhì)基板的厚度為h，相對(duì)介電常數(shù)為εr，底板為金屬接地板。考慮到微帶處在非均勻的介質(zhì)當(dāng)中，可假設(shè)存在一種相對(duì)介電常數(shù)為εeff的均勻介質(zhì)，用以替代原來(lái)微帶線(xiàn)周?chē)目諝?相對(duì)介電常數(shù)為1)和介質(zhì)基板(相對(duì)介電常數(shù)為εr)，同時(shí)能保持微帶線(xiàn)的特征阻抗不變。

當(dāng)微帶線(xiàn)厚度t 遠(yuǎn)小于介質(zhì)基板厚度h 時(shí)，如果w/h ＜1，該等效相對(duì)介電常數(shù)εeff可 表達(dá)為［1，3，5－6］

相應(yīng)的微帶線(xiàn)特征阻抗表為:

式中η0=120π，為自由空間波阻抗。

如果w/h ＞1，則等效相對(duì)介電常數(shù)εeff可表達(dá)為

相應(yīng)的微帶線(xiàn)特征阻抗為

微帶線(xiàn)厚度t 的增加會(huì)使微帶線(xiàn)側(cè)面與金屬底板之間的電容效應(yīng)不容忽略，如果考慮到微帶線(xiàn)的厚度t 的貢獻(xiàn)，微帶線(xiàn)的特征阻抗Z0將略有降低。同時(shí)，隨著微帶線(xiàn)的w/h 的值越來(lái)越小，微帶線(xiàn)的厚度t 對(duì)特征阻抗Z0的影響也將變得顯著起來(lái)。

顯然介質(zhì)板材的εr及厚度h、金屬導(dǎo)帶的厚度t及寬度w 均可影響到微帶的電氣性能，為此利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS 來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的分析［2］。圖3為實(shí)現(xiàn)90°相位移動(dòng)的微帶移相電路的HFSS模型圖，分析得到保持微帶線(xiàn)總長(zhǎng)度不變，通過(guò)改變介質(zhì)基板的厚度h 的電路散射參數(shù)S21的變化曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖3 微帶移相電路模型

圖4 介質(zhì)厚度h 對(duì)S21的影響

信號(hào)頻率f=915 MHz，微帶金屬導(dǎo)帶寬度w=1.4 mm，金屬導(dǎo)帶厚度t=17.5μm，介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)εr=4.6。從圖中可見(jiàn)，隨著介質(zhì)基板的厚度h 從0.6 mm 增加到1.4 mm，微帶移相電路的散射參數(shù)S21呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律，且在大約h=0.8 mm 處趨近于零，取得了最佳值，這提示在具體的電路設(shè)計(jì)時(shí)，PCB 板材厚度的選擇需要有具體的考慮。圖5為S21隨金屬微帶厚度t 的變化曲線(xiàn)，曲線(xiàn)顯示微帶線(xiàn)金屬導(dǎo)帶厚度t 在17μm～27.5μm范圍的變化對(duì)散射參數(shù)S21的影響不大，說(shuō)明一般情況下可不計(jì)微帶線(xiàn)厚度對(duì)電路性能的影響。

圖5 金屬導(dǎo)帶厚度t 對(duì)S21的影響

圖6 則反映了介質(zhì)基板材料的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)S21的影響，曲線(xiàn)顯示當(dāng)εr從4.6 變到10.2 時(shí)，產(chǎn)生90°相移的微帶線(xiàn)，其S21將近有0.5 dB 的改變量，這表明介電常數(shù)對(duì)電路傳輸特性的影響還是比較明顯的。同時(shí)曲線(xiàn)也顯示，圖示條件下選取εr=4.6 的基板材料可使信號(hào)無(wú)衰減地通過(guò)。

圖6 相對(duì)介電常數(shù)εr對(duì)S21的影響

圖7 顯示，當(dāng)微帶線(xiàn)間距S(參見(jiàn)圖4)由1 mm增加到2 mm 時(shí)，S21將趨于零，然后雖然S 由2 mm逐步增加，但S21將基本維持不變。

圖7 微帶間距S 對(duì)S21的影響

圖8 則是工作頻率上升到5.8 GHz 后的情況，和圖7 不同的地方在于，微帶線(xiàn)間距S 必須由1 mm增加到3 mm 后，S21才能趨于零且保持不變，同時(shí)其變化量比前者更劇烈，達(dá)到1.2 dB。這些現(xiàn)象說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題，一是工作頻率越高，微帶線(xiàn)的間距就必須設(shè)計(jì)的更寬，才能保證信號(hào)的順利通過(guò);二是不管頻率高低，一旦間距大于某個(gè)數(shù)值后，這種影響將可忽略不計(jì)。

圖8 微帶間距S 對(duì)S21的影響(f=5.8 GHz)

圖9 給出了電路相移隨介質(zhì)基板厚度的變化曲線(xiàn)。仿真建模取值與圖4 相同。從圖9 可見(jiàn)，介質(zhì)基板厚度對(duì)相移的影響是明顯的，當(dāng)介質(zhì)厚度增加時(shí)，相位的改變量將變小，約在h=0.83 mm 時(shí)，取得了90°的相移。

圖9 介質(zhì)厚度h 對(duì)相移的影響

圖10 反映了相移隨介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)εr的變化趨勢(shì)。曲線(xiàn)表明，當(dāng)介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)增加時(shí)，相位的改變量將變大，在εr=4.6 時(shí)，電路取得了90°的相移。與前面圖5 中微帶線(xiàn)金屬導(dǎo)帶厚度t 對(duì)S21的影響描述相對(duì)應(yīng)。

圖10 相對(duì)介電常數(shù)εr對(duì)相移的影響

圖11 給出了微帶線(xiàn)金屬微帶厚度t 從17.5μm增加到27.5μm，相移的改變情況，曲線(xiàn)顯示這種變化是微小的。

圖11 微帶線(xiàn)金屬導(dǎo)帶厚度t 對(duì)相移的影響

圖12 的曲線(xiàn)描述了相移隨微帶線(xiàn)間距的變化情況。從圖中可見(jiàn)，雖然微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度保持不變，但如果改變微帶的形狀使其間距縮窄，會(huì)導(dǎo)致相移的減小，這顯然將影響到后面信號(hào)的解調(diào)。

圖12 微帶線(xiàn)間距S 對(duì)相移的影響

2 應(yīng)用實(shí)例

如圖13所示為根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)的一款工作于915 MHz 的RFID 閱讀器的射頻前端電路，其中利用微帶移相電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位改變，工作性能良好。

圖13 RFID 閱讀器中的微帶移相電路

3 結(jié)語(yǔ)

給定介質(zhì)板材特性和厚度，利用式(14)或式(16)將可獲得具有合適特性阻抗的微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)，再依據(jù)信號(hào)的頻率和所需的相移，便可得到合適的微帶線(xiàn)長(zhǎng)度，從而設(shè)計(jì)出微帶移相電路。然而從上面的討論可知，實(shí)際上微帶線(xiàn)電路的傳輸系數(shù)和相移受到電路眾多參數(shù)的影響，所以在設(shè)計(jì)微帶線(xiàn)移相電路時(shí)，首先可根據(jù)信號(hào)頻率等要求選取合適的介質(zhì)基板材料，如Rogers 5880 板材等，然后依據(jù)選定板材的具體厚度以及所需的特性阻抗確定微帶線(xiàn)寬度，兼顧金屬導(dǎo)帶的具體厚度，確定產(chǎn)生目標(biāo)相移的微帶線(xiàn)長(zhǎng)度，最后借助HFSS 進(jìn)行電路仿真，反復(fù)優(yōu)化S21及相位指標(biāo)，最后完成設(shè)計(jì)。

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