彭銳波

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基于PR9200的微型RFID模塊設計

彭銳波

（東莞市艾特姆射頻科技有限公司）

針對傳統(tǒng)頻段RFID模塊傳輸距離較短、集成度不高等問題，提出一種基于PHYCHIPS PR9200芯片的微型RFID模塊設計。首先，按照PR9200芯片架構設計微型RFID模塊總體結構；其次，分別設計微型RFID模塊的電源管理、信號輸出、鎖相環(huán)路和射頻前端等電路；最后，考慮模塊制備過程的可靠性、電磁兼容性能，開發(fā)了微型RFID模塊產(chǎn)品。結果表明：本文設計的微型RFID模塊尺寸為28 mm×28 mm，最大輸出功率26 dbm，對ALIEN 9662標簽讀寫有效距離≥2m，實際功耗低于1 W。

射頻識別；RFID模塊；UHF；微型化

0 引言

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術通過反向散射電磁波的原理獲取和更改電子標簽的信息[1]，由于其成本低、微型化[2]，廣泛應用于軍需物資、食品與藥品、智能交通、倉儲管理、物流管理和智能生產(chǎn)等領域。本文通過研究韓國PHYCHIPS公司最新推出的UHF頻段RFID芯片PR9200，實現(xiàn)UHF RFID模塊微型化及產(chǎn)業(yè)化。

1 基于PR9200的微型RFID模塊設計

1.1 PR9200芯片架構

PR9200芯片結構原理圖如圖1所示。PR9200芯片是真正意義上的UHF RFID 讀寫單芯片解決方案，使用WBGA64封裝，并在6 mm×6 mm面積上集成高性能射頻（860 MHz ~960 MHz）收發(fā)器、Modem基帶處理器、ARM Cortex-M0處理器、存儲器（64 kB Flash和16 kB SRAM），此外完全集成 ISO18000-6C & EPC C1G2[3]協(xié)議。

圖1 PR9200芯片結構原理圖

由于PR9200的高度集成，使芯片的外圍電路非常簡單，有效減小了讀寫器的尺寸、成本及功耗，同時芯片提供完善的技術支持，使開發(fā)難度降低、周期縮短，這使超高頻讀寫器的應用領域得到極大擴展[4]。可看出PR9200適用于低成本微型RFID模塊設計。

1.2 基于PR9200的微型RFID模塊設計

通過對芯片的研究，分別設計電源管理電路、信號輸出電路、鎖相環(huán)路電路、射頻前端電路，實現(xiàn)基于PR9200的微型RFID模塊。

1) 電源管理電路，受限于模塊的體積，模塊的電源管理無法像普通電路那樣對每個敏感的用電區(qū)域都使用單獨的電源芯片供電，只能使用單個LDO電源芯片同時給PR9200核心、PLL、RF及射頻功放供電，所以必須在每個供電支路添加相應的磁珠及旁路電容，以保證電源的紋波在限制范圍內。超高頻RFID電路的主要電源紋波干擾頻段在900 MHz附近，根據(jù)旁路電容的計算公式=1/，算出各個供電支路應該添加100 pF的旁路電容。

2)信號輸出電路，PR9200芯片的外置功放輸出端的阻抗為12.6+7.4，設電阻為、電容為、頻率為，則，其中為超高頻的常用中心頻率915 MHz，由此式可計算得出=12.6Ω，≈23.5 pF。在計算機上使用ADS的Smith-Chart工具，搭建模型并計算，可得到π型匹配電路[5-6]，=6.2 nH，=8 pF，如圖2所示。PR9200外置功放輸出信號經(jīng)過匹配電路則能匹配至50Ω[7]，從而將數(shù)據(jù)無損地送到下一個濾波環(huán)節(jié)。

3)鎖相環(huán)路電路（phase-locked loop，PLL），PLL是一種反饋控制電路，其利用外部的輸入?yún)⒖夹盘柨刂骗h(huán)路內部振蕩信號的頻率和相位，從而實現(xiàn)信號頻率的輸出及對輸入信號的頻率自動跟蹤。通常PLL由鑒相器（phase detector，PD）、環(huán)路濾波器（loop filter，LF）和壓控振蕩器（voltage controlled oscillator ，VCO）3部分組成[8-9]。PR9200已經(jīng)集成了PD和VCO，只要外接LF即可正常工作。通常PD的帶寬應大于LF10倍，因模塊的體積小，圖3為二階無源濾波器作為PR9200的低通濾波器。

(1)

當傳遞函數(shù)中1<<2時，環(huán)路濾波器的相位滯后量會小于超前因子的相位超前量，從而符合PLL的設計要求。根據(jù)式(1)和PR9200的參數(shù)表，可確定LF的各個參數(shù)為2=5.1 kΩ，1=390 pF，2=2.7 nF。

4)射頻前端電路，射頻前端電路包括射頻功放電路、發(fā)射信號及接收信號的隔離、信號巴倫變換等，這些電路均采用官方推薦的器件及設計方法。

綜合以上設計，基于PR9200的微型RFID模塊原理圖如圖4所示。

圖4 基于PR9200的微型RFID模塊原理圖

2 微型RFID模塊的實物圖及性能

按照上述思路，微型RFID模塊采用羅杰斯高頻PCB板材，標準的FPC數(shù)據(jù)連接器和微型化IPEX射頻接頭，并在電路兩側設置郵票孔位，以方便模塊集成到各種手持設備。同時配備鋁合金屏蔽罩[10]，防止電磁干擾對外部設備的影響?；赑R9200的微型RFID模塊實物圖如圖5所示，尺寸為28 mm×28 mm。

圖5 基于PR9200的微型RFID模塊實物圖

實際測得模塊最大輸出功率26 dbm，配合增益為2 dbi的圓極化陶瓷天線，讀取ALIEN的9662標簽[11]，有效距離≥2 m，而在=3.7 V供電和最大發(fā)射功率情況下的實測平均電流為=280 mA，根據(jù)算得實際功耗僅為1 W。

3 結語

本文按照PR9200芯片架構開發(fā)了微型RFID模塊，分別設計其電源管理、信號輸出、鎖相環(huán)路和射頻前端等電路。該微型RFID模塊尺寸為28 mm×28 mm，最大輸出功率26 dbm，對ALIEN 9662標簽讀寫有效距離≥2 m，實際功耗低于1 W。該模塊適用于對成本敏感的制造業(yè)智能生產(chǎn)的項目，并可集成到各種移動設備。在后續(xù)的研究中，以進一步提升其性能為方向，使其應用范圍更加廣闊。

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Design of Mini RFID Module Based on PR9200

Peng Ruibo

(Dongguan Atmiot RF Technology Co., Ltd.)

Focusing on the problem that the traditional frequency band RFID module transmission distance is insufficient and integration is not high enough, a miniature RFID module based on PHYCHIPS PR9200 chip is proposed. Firstly, a micro-RFID module system was designed in accordance with the PR9200 chip architecture; Secondly, the power management circuit, signal output circuit, PLL circuit and RF front-end circuit of micro RFID module were demonstrated respectively. Finally, considering the reliability and electromagnetic compatibility in the process of module fabrication, the final miniature RFID module was proposed. The results show that the size of the RFID module is 28 mm × 28 mm, the maximum output power is 26 dbm, the reading and writing effective distance of ALIEN 9662 is ≥2m, and the actual power consumption is less than 1 W.

Radio Frequency Identification; RFID Module; UHF; Miniaturization

彭銳波，男，1984年生，電子工程師，本科，主要從事射頻電路及無線通信系統(tǒng)的研究及設計工作。