張文錦，李建雄，毛陸虹

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

基于多波束切換的便攜式RFID閱讀器設(shè)計

張文錦1，李建雄1，毛陸虹2

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

研究了一種基于多波束切換技術(shù)的便攜式RFID閱讀器，詳細(xì)闡述了射頻模塊中各硬件部分的工作原理以及芯片參數(shù)的確定，給出了多波束天線系統(tǒng)的設(shè)計方案以及整個閱讀器系統(tǒng)的設(shè)計方案.該閱讀器工作頻率的范圍為860~960 MHz，并且符合ISO18000-6C（EPC Gen2）標(biāo)準(zhǔn).將多波束切換型智能天線系統(tǒng)應(yīng)用于RFID系統(tǒng)中，經(jīng)理論證明，可提高現(xiàn)有閱讀器的最大識別距離、覆蓋區(qū)域等性能.

RFID；閱讀器；多波束切換；智能天線

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，它通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù).RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同其組成會有所不同，但基本上都是由電子標(biāo)簽、閱讀器和系統(tǒng)高層這三大部分組成[1].閱讀器從電子標(biāo)簽中讀取數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給系統(tǒng)高層進(jìn)行處理.閱讀器作為RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件通過天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)對標(biāo)簽的讀取和寫入操作.因此，閱讀器在RFID系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用.閱讀器的工作頻率決定系統(tǒng)的應(yīng)用頻段，閱讀器的發(fā)射功率直接影響射頻識別的通信距離，閱讀器體積的大小直接影響RFID系統(tǒng)的適用范圍.本文重點介紹了便攜式RFID閱讀器的射頻模塊和基于多波束切換的天線陣結(jié)構(gòu).由于受到體積的限制，目前市面上常見的商用便攜式RFID閱讀器多采用低增益的小體積單天線，閱讀距離短、識別效率低等問題往往限制了便攜式RFID技術(shù)的應(yīng)用，本文采用的基于多波束切換的思想將為小體積遠(yuǎn)距離射頻識別技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考價值.

1 便攜式RFID閱讀器總體結(jié)構(gòu)

閱讀器的主要功能是將數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)送給電子標(biāo)簽，并將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解調(diào)，然后傳送給系統(tǒng)高層.本文研究的基于多波束切換技術(shù)的便攜式RFID閱讀器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

系統(tǒng)高層通過串行接口或USB接口發(fā)送指令給MCU，MCU控制射頻收發(fā)芯片發(fā)送符合協(xié)議要求的信號，該信號經(jīng)射頻前端優(yōu)化電路放大、濾波后通過多波束切換天線系統(tǒng)發(fā)射到空間中.MCU通過控制多波束切換系統(tǒng)中的射頻開關(guān)控制波束的選擇，從而控制掃描區(qū)域，接收過程與之相反.下面分別從射頻模塊和多波束切換天線系統(tǒng)2個部分來分析.

圖1 閱讀器總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of whole reader

2 便攜式RFID閱讀器射頻模塊設(shè)計

射頻模塊作為閱讀器的重要組成部分是決定閱讀器性能的關(guān)鍵，射頻模塊的主要任務(wù)[2]如下：

（1）根據(jù)協(xié)議要求發(fā)射一定頻率的射頻信號，激活工作區(qū)域內(nèi)的無源標(biāo)簽并為其正常工作提供能量；

（2）將待發(fā)射的編碼信號的頻率調(diào)制到射頻頻段，把數(shù)據(jù)和命令傳送給標(biāo)簽；

（3）接收標(biāo)簽返回的射頻信號，把信號進(jìn)行解調(diào)，并將已解調(diào)信號送入系統(tǒng)高層進(jìn)行處理.

2.1 集成射頻收發(fā)芯片

本設(shè)計選用的芯片AS3992是由奧地利微電子公司推出的一款支持ISO/IEC 18000-6協(xié)議的閱讀器射頻收發(fā)芯片.芯片內(nèi)部集成底層發(fā)送編碼、底層解碼、數(shù)據(jù)幀形成、CRC校驗等功能；芯片支持AM和PM調(diào)制以確保在I/Q路自動選擇時不會存在通信盲點[3].該芯片是64個引腳的QFN封裝，9 mm×9 mm的尺寸是應(yīng)用于便攜式閱讀器的首選.

在閱讀器中AS3992工作過程如下：在信號發(fā)射時，發(fā)往標(biāo)簽的數(shù)據(jù)由MCU轉(zhuǎn)載到AS3992的FIFO（先入先出寄存器）中，AS3992根據(jù)協(xié)議對信號進(jìn)行編碼，為數(shù)據(jù)加幀頭和CRC校驗碼，形成的數(shù)據(jù)幀與PLL產(chǎn)生的載頻信號相混頻，調(diào)制到射頻，由外部PA通過天線發(fā)射出去.在信號接收時，接受的信號通過芯片內(nèi)部的2個混頻器進(jìn)行I/Q雙路解調(diào)，解調(diào)的信號經(jīng)過內(nèi)部濾波器濾波和自動增益控制以后進(jìn)行數(shù)字化，去除信號的幀頭，進(jìn)行CRC校驗.校驗正確的信號進(jìn)行解碼，解碼后的信號通過FIFO送到MCU中. AS3992芯片內(nèi)部組成框圖[4]如圖2所示.

圖2 AS3992芯片內(nèi)部組成框圖Fig.2 Internal composition of AS3992

2.2 射頻前端優(yōu)化電路

AS3992工作于UHF頻段（840~960 MHz），結(jié)合外部優(yōu)化電路，可實現(xiàn)高效的射頻收發(fā)功能.這些優(yōu)化電路主要包括：巴倫、外部功率放大器、定向耦合器.

2.2.1 巴倫

鑒于差分平衡信號在抗干擾等方面的優(yōu)越性，在信號的發(fā)射過程中，從AS3992芯片輸出的發(fā)射信號采用雙端差分線傳輸.本設(shè)計采用的外部功率放大器是單端輸入，這就需要在射頻芯片和功率放大器之間加入巴倫（balun），它是一種射頻信號在不平衡射頻端口和平衡差分射頻端口之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換的裝置.考慮到不同于普通的低頻電路，在射頻電路的設(shè)計中，只有當(dāng)電路實現(xiàn)阻抗匹配才能實現(xiàn)最大的功率傳輸[5]，因此本文采用的型號為0900BL18B100的巴倫兼具信號轉(zhuǎn)換和阻抗匹配功能，阻抗變換比為2.圖3為巴倫部分電路圖.

圖3 巴倫部分設(shè)計Fig.3 Design of Balun

2.2.2 功率放大器

AS3992有2個射頻輸出端口，一個可以輸出高達(dá)20 dBm的高功率，另一個可以輸出0 dBm的功率.以增益為2.5 dB的小體積天線為例，即使采用20 dBm的高功率輸出端口，讀寫距離只能達(dá)到1.5 m.為了保證發(fā)射信號的質(zhì)量，本設(shè)計選用的輸出端作為射頻輸出端口，通過設(shè)定AS3992寄存器的值，使其工作在輸出為0 dBm的模式，通過外接高增益的功率放大器提高讀寫距離.

為了使核心模塊的發(fā)射功率能夠達(dá)到一定的功率值，使其既滿足一定的讀寫距離，又不超過國家無線電監(jiān)測中心規(guī)定的最大發(fā)射功率，以下從理論上來確定外部功率放大器的最小增益和輸出功率.

核心模塊發(fā)射的射頻信號傳遞到天線以后，在天線的周圍就會產(chǎn)生相應(yīng)的電磁場.為了簡單起見，僅考慮自由空間的情況，并且只考慮傳播損耗，不考慮反射、折射以及吸收等現(xiàn)象.

假設(shè)讀寫器的發(fā)射功率為PTX，發(fā)射天線的增益為GTX，假設(shè)閱讀器和RFID電子標(biāo)簽之間的距離為d，則在d處的RFID電子標(biāo)簽的功率密度STag為：

用電子標(biāo)簽天線的有效吸收面積ATag=λ2STag/（4π）得出其接收最大功率[6]為：

上式以分貝值來表示為：

本設(shè)計采用的電子標(biāo)簽芯片的最小工作門限為-10 dBm，即Pr=-10 dBm，標(biāo)簽天線增益為0 dB，即GTag=0 dB，如果采用普通便攜式閱讀器天線增益為2.5 dB，即GTX=2.5 dB，則在距離閱讀器天線處需要的最小發(fā)射功率為：

從功率放大器輸出端到天線輸出端還有1 dBm的衰減，因此在這種情況下功率放大器的增益必須大于34.2 dB，顯然這個值對功率放大器的要求過高.無論是從工藝還是成本的角度，低增益天線要達(dá)到5 m的讀寫距離是很困難的.本文采用多波束切換技術(shù)的小尺寸智能天線在單個方向上的增益至少可達(dá)5.5 dB，在這種情況下，距離閱讀器天線5 m處需要的最小發(fā)射功率為：

本設(shè)計選用 RFMD公司的射頻功率放大器SPA2118來放大發(fā)射信號功率.SPA2118的工作頻率為810~960 MHz，覆蓋了整個UHF RFID頻率范圍，其線性度高，且增益達(dá)到約33 dB，SPA2118的匹配電路圖如圖4所示.

圖4 功率放大器外部匹配電路Fig.4 Matching circuit of power amplifier

2.2.3 定向耦合器

在RFID系統(tǒng)中，發(fā)射通道和接收通道隔離一般采用收發(fā)隔離的微波器件，通常發(fā)射通道泄漏到接收通道的載波信號強(qiáng)度往往比標(biāo)簽返回的信號強(qiáng)度大，這樣就要求隔離器件有一定的隔離度.又由于受到核心模塊的體積限制，不能采用大體積的環(huán)形器，因此本設(shè)計采用型號為0910CF15B0100的小體積定向耦合器來實現(xiàn)收發(fā)的分離.盡管定向耦合器會對接收信號產(chǎn)生一定的衰減，在閱讀器靈敏度足夠高的情況下，可以使影響降到最小，具體分析如下.

在理想條件下，通過反向散射由電子標(biāo)簽天線返回到閱讀器天線的功率密度為：

式中：雷達(dá)散射橫截面σ（RCS）是目標(biāo)反射電磁波能力的測度，本文采用的σ值為0.2.用閱讀器接收天線的有效吸收面積Aw=λ2GTX/（4π）得出其接收功率[7-8]為：

由于接收端需要經(jīng)過定向耦合器耦合，由芯片的Datasheet可知，接收到的信號衰減10 dB，根據(jù)式（10），只要讀寫器的靈敏度大于-70.2 dBm，即可讀到5 m處的標(biāo)簽，而本設(shè)計選用的讀寫器芯片的靈敏度為-86 dBm，遠(yuǎn)低于最小值.利用Cadence電路板設(shè)計軟件設(shè)計的閱讀器射頻模塊PCB實物圖如圖5所示.

圖5 射頻模塊PCB布置圖Fig.5 PCB routing of RF part

3 多波束切換型智能天線結(jié)構(gòu)

在無源UHF RFID系統(tǒng)中，最大識別距離的計算公式為：

式中：PTXGTX為等效全向輻射功率（EIRP）；p為閱讀器天線和標(biāo)簽天線的極化匹配因子（極化完全匹配時，p=1）；τ為標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片的功率傳輸因子（共軛阻抗匹配時，τ=1）；pth為激活標(biāo)簽芯片的最小接收功率.由于規(guī)范規(guī)定的閱讀器天線輻射的EIRP最大值是受限的，例如國家無線電監(jiān)測中心規(guī)定EIRP的最大值是2 W，如果使用能夠產(chǎn)生多個高增益波束的相控陣天線，EIRP可以在某一個短時間內(nèi)在某個方向超過2 W，在計算平均功率時，它具有與低方向性、固定波束天線相同的平均功率，因為波束在多個方向上被掃描控制，從而減小了平均功率.

以4個波束掃描為例，圖6展示了最大識別距離和總的識別區(qū)域都有所增加，其中波束1、2、3、4的覆蓋面積和（總識別區(qū)域）大于單個低增益固定波束的覆蓋面積.

圖6 多波束和單波束覆蓋區(qū)域?qū)Ρ葓DFig.6 Comparison between multiple beams and single beam

市面上的商用便攜式RFID閱讀器的天線由于受到體積的限制多采用小體積的低增益單天線，閱讀距離只能達(dá)到3 m左右，明顯制約了便攜式閱讀器的使用范圍.根據(jù)式（11），如果使GTX的值增大一倍，則最大識別距離增大倍，可以達(dá)到5 m左右.本文研究的RFID閱讀器中智能天線系統(tǒng)的工作原理為多波束切換型智能天線[9].在同一時刻由四路天線單元形成一個高增益的窄波束，然后在時間上通過改變信號的相位依次產(chǎn)生多個方向的窄波束，從而掃描所要覆蓋區(qū)域[10].

此波束切換型智能天線系統(tǒng)如圖7所示.

發(fā)射時，發(fā)射信號通過波束切換開關(guān)選擇路徑，然后進(jìn)入多路移相器，每一路信號被按不同的相位差形成4路新的信號，這4路新的信號分別連接到4個發(fā)射陣元，通過這4個陣元發(fā)射電磁信號并在空間形成對應(yīng)的一個波束.比如A路對應(yīng)波束A1，發(fā)射信號到達(dá)A1波束覆蓋的空間；B路對應(yīng)波束B1，發(fā)射信號只到達(dá)B1波束覆蓋的空間，以此類推.接收時和發(fā)射時相反，每個波束所接收到的電磁信號被分解到每個天線單元，形成4路信號，在多路移相器中按照相位差合成一路信號，最終依然是空間一個波束對應(yīng)一路信號[11].

多路移相器是多波束系統(tǒng)的關(guān)鍵，它幾乎不改變各路信號的幅值，只改變相位，即多路移相器相當(dāng)于給各路信號提供了相位權(quán)系數(shù).

本文采用的天線單元結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示[12]，通過HFSS仿真其增益為1.5 dB.由4個天線單元組成的天線陣結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示，在一般情況下天線陣中相鄰2個天線單元之間的距離至少為λ/2，否則會造成強(qiáng)互耦，影響整個天線陣的增益.鑒于便攜式RFID閱讀器的體積是受限的，相鄰單元之間的距離應(yīng)當(dāng)盡量小，本設(shè)計通過在2個天線單元之間增加接地的金屬板以減小相鄰單元之間的互耦，減少整個天線陣系統(tǒng)的面積.

天線陣的最大增益為：

式中：N為天線陣中天線單元的數(shù)目；G為單個天線單元的增益；根據(jù)式（12）可得出四元天線陣的最大增益Ga（max）=7.5 dB，此數(shù)值相比于普通小體積單天線的增益有明顯的改善.

圖7 多波束切換系統(tǒng)示意圖Fig.7 Diagram of multiple switched beams

圖8 天線單元和天線陣Fig.8 Antenna element and array antenna

4 結(jié)論

智能天線技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種新技術(shù)，將智能天線中的多波束切換技術(shù)運(yùn)用于RFID閱讀器系統(tǒng)中，其性能相比普通單天線閱讀器有顯著的提高.本文給出了閱讀器的硬件和多波束切換天線系統(tǒng)的設(shè)計方案，并完成了射頻模塊電路的優(yōu)化和調(diào)試.采用上述方案設(shè)計的閱讀器，標(biāo)簽讀取速度快，誤讀、漏讀率低，閱讀距離遠(yuǎn)，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性.

[1]黃玉蘭.射頻識別（RFID）核心技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010：19-21.

[2] CHEN Ying.A system design for UHF RFID reader[C]//11th IEEE International Conference on Communication Technology. 2008：301-304.

[3]譚海燕.基于AS3990/3991的超高頻RFID讀寫器的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010（3）：54-56.

[4]李曼.UHF頻段RFID測試讀寫器射頻模塊研究設(shè)計[D].西安：西北大學(xué)，2011：47-49.

[5] 黃玉蘭.射頻電路理論與設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2008：111-112.

[6] 約翰克勞斯.天線[M].章文勛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2011：27-28.

[7]陳抗生.電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2008：462-466.

[8] 陳大才.無線電感應(yīng)的應(yīng)答器和非接觸IC卡的原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[9]GROSS Frank.智能天線：Matlab版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：212-214.

[10]胡文藝，曾維周，闞璦珂.基于輪詢機(jī)制的RFID讀卡系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].成都理工大學(xué)學(xué)報，2012（5）：549-554.

[11]金榮洪，耿軍平，范瑜.無線通信中的智能天線[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：284-290.

[12]KARMAKAR Nemai Chandra.Development of a Phased Array Antenna for Universal UHF RFID Reader[C]//Antennas and Propagation Society In ernational Sym posium（APSURSI），2010：1-4.

Design of portable RFID reader based on multiple switched beams

ZHANG Wen-jin1，LI Jian-xiong1，MAO Lu-hong2

（1.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A kind of portable RFID reader based on multiple switched beams is investigated,and the operation principle of hardware in RF part and the method of choosing chips are narrated in detail.It also proposes multiple switched beams system as well as integrated RFID reader system.Operation frequency bands of the reader is 860-960 MHz,which corresponds well with the standard of ISO 18000-6C(EPC Gen2).It can improve the maximal read range and area when multiple switched beams are applied to RFID system.

RFID；reader；multiple switched beams；smart antenna

TP311

：A

：1671-024X（2013）01-0052-05

2012-07-06

：863計劃重大項目（2008AA04A102）；國家自然科學(xué)基金項目（61072010）

張文錦（1988—），女，碩士研究生.

李建雄（1969—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師.E-mail:lijianxiong@tjpu.edu.cn