高效超高频RFID读写器设计-硕士学位论.docx

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文中图分类号：TN911.2 论文编号：1028704 15-SZ028学科分类号：085208硕士学位论文 高效超高频RFID读写器设计研究生姓名王绍龙专业类别工程硕士专业领域电子与通信工程指导教师刘冰 副教授南京航空航天大学研究生院 电子信息工程学院二一四年十二月Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsThe Graduate SchoolCollege of Electronic and Information EngineeringResearch on Efficient UHF RFID Reader A Thesis inElectronic and Communication EngineeringByShaolong WANGAdvised byAssoc. Prof. Bing LIUSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of Engineering February, 2014承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 摘 要当前RFID系统在应用过程中，面临着仓储、物流和生产等复杂外部环境引起的读写器天线失配以及读写器本身收发通道隔离度不高等情况，这些情况会引起发射的载波信号泄露到接收通道，降低读写器的性能。为了解决这个问题，本文从超高频RFID读写器的定向耦合器设计和天线阻抗匹配电路设计两个方面展开了研究，主要研究内容如下：1、针对由于读写器收发通道隔离度不高造成的载波泄露问题，通过采用高隔离度的定向耦合器，设计了一款基于Impinj公司R2000读写器芯片和Atmel公司AT91SAM7S256基带处理芯片的超高频RFID读写器，测试结果表明使用8dBi的圆极化天线在输出功率为+30dBm时最大读写距离可达到8m。2、针对由于读写器天线失配造成的载波泄漏问题，设计了一款可重构双枝节匹配电路。该阻抗匹配电路基于传统的双枝节匹配电路，并在每条枝节的末端加载了一个变容二极管，通过调节变容二极管的偏置电压来实现可重构。通过对两款中心频率为915MHz的RFID天线进行阻抗匹配测试，表明该阻抗匹配电路可使两款天线在902928MHz频段范围内回波损耗均减小10dB以上，改善效果显著。3、为了测试由于读写器天线失配造成的载波泄露对读写器的影响，对读写器在加与不加阻抗匹配电路两种情况下分别进行了性能测试。测试结果表明该阻抗匹配电路可有效减小泄露到接收通道的载波，改善读写器的性能，具有较强的实用性。关键词：超高频，RFID，R2000，阻抗匹配，载波泄露IXABSTRACTNowadays the Radio Frequency Identification (RFID) is getting more and more attention for the concept of smart being proposed. However the RFID system hasnt been so prefect that lots of factors can influence the performance of the system, like the antenna mismatch caused by complex outside environments or the inadequate isolation between the T/R channels of the reader, which will make the carrier signal transmitted leak to the receiving channel, reducing the readers performance.We plan to solve the problem mentioned above from two aspects: one is the design of directional coupler of the reader and another is the design of impedance matching circuit for antenna. The detail will be introduced as follows:1For the carrier leakage caused by the inadequate isolation of the directional coupler, we designed a reader with a directional coupler of high isolation. The reader is based on the reader chip R2000 produced by Impinj and the baseband chip AT91SAM7S256 produced by Atmel. The test result indicates that the maximum reading distance can be up to 8m with the circularly polarized antenna for 8dBi when the output power is +30dBm.2As for the carrier leakage caused by the antenna mismatch, a reconfigurable impedance matching circuit based on conventional double-stub match is designed. Through the varactor diode loaded at the end of each stub, reconfiguration can be achieved by adjusting the bias voltage across the varactor diode. The test has been carried out using two kinds of antennas whose operation frequency is 915MHz, and the result shows that the impedance match circuit designed in this thesis can decrease the return loss of the two antennas by 10dB.3The performance test of UHF RFID reader was carried out in the cases of with and without the impedance matching circuit. The result shows that the matching circuit can effectively reduce the carrier leakage，improve the readers performance and has a strong practicability. Keywords: UHF，RFID，R2000，impedance matching，carrier leakage目 录第一章 绪论11.1研究背景与意义11.2 RFID技术国内外研究现状11.3 RFID技术发展面临的问题21.4 RFID技术发展趋势31.5选题依据与论文结构3第二章 RFID系统性能分析52.1超高频RFID系统基本原理52.1.1超高频RFID系统组成52.1.2基本工作原理62.2超高频RFID系统性能分析72.2.1超高频RFID系统性能指标72.2.2超高频RFID读写器结构72.3射频前端接收信号分析82.4载波抑制方案设计102.5本章小结10第三章 读写器设计及测试113.1射频前端收发芯片选型113.2读写器结构设计123.3射频前端设计123.3.1 R2000读写器芯片介绍123.3.2射频发射通道133.3.3射频接收通道183.4基带处理电路设计193.5 PCB设计203.5.1 PCB叠层结构203.5.2元器件布局213.5.3布线设计223.5.4 PCB加工223.6读写器测试223.6.1基带处理电路测试223.6.2射频前端测试233.6.3读写距离测试273.7本章小结28第四章 可重构双枝节匹配电路设计294.1阻抗匹配电路介绍及选型294.1.1阻抗匹配方法294.1.2阻抗匹配电路选型344.2变容二极管选型344.2.1可重构实现方式344.2.2变容二极管特性344.2.3直流偏置电路设计354.3双枝节匹配电路设计364.3.1具体参数计算364.3.2加工及测试374.4本章小结40第五章 读写器性能对比测试415.1读写器性能影响因素分析415.2读写器性能对比测试425.3本章小结44第六章 总结与展望45参考文献47致谢50在校期间的研究成果及发表的学术论文51图表清单图2.1超高频RFID系统组成结构图5图2.2超高频RFID读写器结构图8图2.3载波泄露分析9图2.4载波抑制方案设计10图3.1超高频RFID读写器结构设计图12图3.2 R2000读写器芯片内部结构图13图3.3 R2000芯片载波抑制系统结构图13图3.4无线链路性能分析14图3.5功率放大电路原理图15图3.6低通滤波器仿真电路图15图3.7低通滤波器S参数仿真结果15图3.8定向耦合器原理图16图3.9收发隔离电路结构图17图3.10天线选择电路结构图18图3.11基带处理电路结构图19图3.12读写器PCB叠层结构图20图3.13微带线阻抗参数计算21图3.14 PCB器件布局21图3.15芯片散热处理21图3.16 PCB实物图22图3.17 SAM-BA软件启动界面23图3.18 SAM-BA软件主界面23图3.19 PC正确识别读写器界面23图3.20 R2000输出功率测试结果24图3.21读写器输出功率校正曲线25图3.22定频模式发射信号频谱图25图3.23跳频模式发射信号频谱图26图3.24定向耦合器隔离端载波泄露测试结果26图3.25读写器与调试模块组合结构图27图3.26读写距离测试场景27图3.27读写距离测试结果27图4.1 1/4波长传输线匹配电路结构图29图4.2串联枝节匹配电路结构图30图4.3并联枝节匹配电路结构图30图4.4双枝节匹配电路结构图32图4.5 SMV1247等效电路模型图35图4.6 SMV1247电容随偏置电压变化曲线图35图4.7直流偏置电路结构图36图4.8 SMV1247等效电长度与电容变化关系图37图4.9双枝节匹配电路实物图37图4.10双枝节匹配电路S11测试结果37图4.11可重构双枝节匹配电路实物图38图4.12可重构双枝节匹配电路S11测试结果38图4.13可重构双枝节匹配电路S21测试结果38图4.14微带线天线阻抗匹配测试场景39图4.15微带线天线优化前后S11对比图39图4.16 8dB天线阻抗匹配测试场景39图4.17 8dB天线优化前后S11对比图39图5.1双线天线阻抗匹配测试场景43图5.2双线天线优化前后S11对比图43图5.3读写器性能对比测试场景43图5.4无载波抑制系统读写器实物图44图5.5读取率测试结果44表3.1不同厂家读写器芯片性能参数比较11表3.2定向耦合器电气参数17表3.3单刀双掷开关电气参数18表5.1加阻抗匹配电路前后读写器吞吐率变化对比44表5.1加阻抗匹配电路前后读写器吞吐率变化对比44 缩略词缩略词英文全称RFIDRadio Frequency IdentificationUHFUltra High FrequencyRSSIReceived Signal Strength IndicatorDRMDense Reader ModePAPower AmplifierFCCFederal Communications CommissionISOInternational Standards Organization65南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文第一章 绪论1.1研究背景与意义射频识别（RFID）技术是自动识别技术的一种，无需接触仅仅通过发射的载波信号就可以完成对目标的识别并获取目标的相关信息，自动完成识别而无需人工干预，把自动识别和无线通信两种技术完美地结合在了一起。其实早在20世纪60年代，科学家就开始了对RFID技术的研究并取得有了一定的成就。RFID的核心部件包括读写器、电子标签和应用系统，其中读写器发射的载波信号可以对一定距离内的电子标签进行识别，当读写器识别到了电子标签，就可以读取电子标签存储的内部信息，获得了标签的内部存储信息就相当于获得了标签所对应物品的属性。RFID系统根据工作频率的不同可以分为低频、高频、超高频和有源微波四种1-234。低频和高频RFID系统发展较早，现在技术已经相当成熟，目前超高频RFID系统在行业内是最受关注的，蕴含着较大的市场价值，发展前景比较光明。与其他技术相比，超高频RFID技术具有其自身的特点，比如它可以自动完成信息的输入和处理，整个过程不需要人工来干预，可以对正在运动的物体进行识别并且可以对很多电子标签同时进行读写，可以适应恶劣的气候条件等56。操作非常方面，并且简单快捷，由于不需要直接接触所以没有机械磨损，具有较长的使用寿命。通过使用MD5、DSA、RSA、DES等一些关于数据安全管理方面的算法，可以保证数据的安全性，实现读写器和电子标签之间的安全通信和存储7。随着超高频RFID技术的进一步普及，电子标签的成本会越来越低，成本的降低又对其广泛的应用奠定了基础。随着超高频RFID市场规模的不断扩大，RFID技术将有可能取代条形码扫描技术。1.2 RFID技术国内外研究现状RFID技术起源较早，经过多年的研究，在理论上已经相当成熟，现在已经被广泛运用在物流、交通、服装、零售、门禁、畜牧管理等领域8。但是由于国外对RFID技术的研究较早，现在核心技术大部分都掌握在国外厂商的手里，尤其是设计技术较复杂并在RFID产业链中占据重要位置的RFID芯片。与对RFID研究较早的欧美等发达国家相比，我国的RFID技术还处在初级阶段，但是随着国家对RFID产业的逐步重视，投入也在逐年加大，已经启动了很多重大项目来推动RFID产业的发展，比如二代身份证、国家物联网应用示范工程等。在国家政策和资金的支持下，通过借鉴国外已有的成熟RFID研究经验，我国的RFID研究已经取得了长足进步，应用的产业领域越来越广，产业链也在逐渐完善。目前已有很多国内大公司积极投身到RFID产业中，由于RFID产业良好的发展环境和广阔的市场前景，会有越来越多的公司加入其中，包括一些中小企业，使RFID市场变得更加朝气蓬勃。超高频RFID系统包括读写器、电子标签和应用系统，其中读写器涉及到射频前端和基带处理电路的设计，电子标签则包括对标签芯片和标签天线的设计9。对芯片的设计是其中的重点和难点，包括读写器芯片和标签芯片，芯片设计涉及的技术较多，要求比较高，因此RFID芯片市场长期被国外公司占据。除了读写器芯片，另一个对读写器性能有很大影响的就是射频前端的性能，超高频RFID读写器的主要功能就是读写标签，因此读写距离对读写器来说是一个关键的性能指标，读写距离的远近和射频前端的设计有着直接的关系。目前在射频前端设计中普遍存在的一个问题就是载波泄露，对于读写器来说，我们既可以使用同一个天线来实现信号收发，也可以使用不同的天线来实现，即收发一体和收发分离。收发分离方式发射信号用一个天线，接收信号则采用另一个天线，这种方式虽然收发不在一个通道里，但是在无源RFID系统中，由于标签工作所需的能量是读写器来提供的，因此读写器发射和接收的是同一个频率的信号，因此还是会有载波泄漏到接收通道里，并且会增大读写器的体积，与读写器追求小型化、高性能的发展趋势是不相符的。收发一体虽然会造成载波泄露，但是通过研究发现通过采用高隔离度的环形器或定向耦合器，可以提高收发系统的隔离度，减小载波泄露的影响。根据应用场合的不同，对读写器天线的设计包括方向性较好、增益较高的阵列天线设计和尺寸比较小的小型化天线设计10。在对读写距离要求比较高的场合我们采用高增益的阵列天线来增加读写距离，这种场合一般会伴随有多台读写器同时工作，由于阵列天线方向性好的优点可以有效减小不同天线之间的干扰，提高读写器的灵敏度。在另外一些对天线尺寸有严格要求的场合比如手持机，其尺寸本身就比较小，所以天线的尺寸基本决定了整个读写器的尺寸，如果读写器天线的尺寸很大显然是不合适的。标签芯片设计涉及到的技术较多，要求也较高，比如功耗要低，尺寸要小，与标签天线的匹配要好11。由于中国的集成电路技术相比国外本来就落后很多，所以目前标签芯片市场主要被国外占据，比如飞利浦、ST、TI等。相对于读写器天线的设计，标签天线的设计要考虑的因素更多。由于RFID可以应用的领域特别多，所以电子标签必须适应复杂的电磁环境以及各种干扰因素，比如曲面、金属等外界因素。另外因为有时还要嵌入到物体中，因此标签天线必须小型化。在要求其低成本的同时，对其形状尺寸和可靠性也有很高的要求12。1.3 RFID技术发展面临的问题随着RFID市场规模的不断扩大，应用领域也越来越广，但是由于应用模式的缺乏和标准的不统一，也出现了一些阻碍，表现在13：（1）载波泄露。由于超高频RFID读写器是收发同频的，当收发通道的隔离度不高或读写器天线失配时，发射的载波信号就会泄漏到接收通道，降低了接收机的灵敏度，使读写器的性能大大降低。1（2）标准不兼容。协议标准是开发产品的先决条件，由于没有统一的标准，读写器制造商根据不同的标准要开发不同的产品，这样会增加额外的研发成本，标准的不确定则会给企业带来很大的风险。（3）成本偏高。目前与条形码相比，电子标签的成本还偏高，这其中涉及到技术的不成熟，也与目前产业链不完善，需求量不大有关。（4）技术瓶颈。由于RFID标签应用领域较广，所处环境具有不确定性，抗干扰能力还有待提高；虽然读写器都含有防碰撞算法，但是读取率仍达不到100%，会有漏读。（5）安全问题。由于读写器与标签之间是无线通信，而目前超高频RFID产品的加密技术还不成熟，这很可能导致一些隐私信息的泄露。1.4 RFID技术发展趋势随着RFID研究的不断深入，RFID产品越来越多，发展势头迅猛，在读写器、电子标签、协议标准、系统软件等方面取得了长足的发展。随着许多关键技术逐步被攻克，RFID技术将迎来新的发展。具体表现为14：（1）RFID芯片。随着集成电路工艺的进一步提高，RFID芯片会向着低功耗、低成本、高性能的方向发展，芯片性能的提升可以使读写器的读写距离更远，读写速度更快。（2）电子标签。电子标签将向着小型化、低成本、高可靠性、抗金属、防水等方向发展，这些技术的发展将扩大电子标签的市场规模。（3）RFID读写器。随着RFID读写器技术的发展，读写器的功能会越来越多，体积会越来越小，功耗会越来越低，灵敏度会越来越高，能同时读取的标签会越来越多。（4）协议标准。由于目前存在多个不同的标准，不同开发商开发的读写器一般只支持其中的一种协议，未来的读写器会向着多标准兼容的方向发展。1.5选题依据与论文结构超高频RFID技术因其许多突出的优点已被广泛应用在包装、汽车、动物识别、服装、门禁、机场安检等领域，随着技术的发展，应用的领域会越来越多，具有广阔的发展空间，市场价值巨大。在超高频RFID系统中读写器无疑是最最核心的，其性能的高低直接决定了整个RFID系统在某个领域的适用性。由于国内技术的落后和国外技术壁垒等原因，我国对超高频读写器的研发还处在初级阶段，掌握核心技术的企业不多，读写器品种较少，价格偏高15。通过对超高频RFID读写器的研究，发现由于收发通道的隔离度不高和读写器天线失配等原因，都普遍存在载波泄露的问题，这将大大降低读写器的性能。基于以上因素，本文设计了一款小型化的超高频RFID读写器，并针对读写器收发通道隔离度不高和读写器天线失配造成的载波泄露问题，提出了改进措施。具体章节安排如下：第一章为绪论部分，首先对RFID技术的研究背景和意义进行了介绍，然后分析了国内外对RFID技术的研究现状并总结了该技术发展面临的问题和未来的发展趋势，在此基础上提出了本文的主要工作。第二章为RFID系统性能分析，首先介绍了超高频RFID系统的构成及其工作的基本原理，然后给出了超高频RFID系统的性能指标并对读写器中各个模块的功能进行了详细的分析，最后对读写器射频前端接收信号进行了分析，指出载波泄露是影响读写器性能的根本原因并给出了相应的解决方案。第三章为读写器设计及测试，将读写器分为射频前端和基带处理电路两部分，首先对每个部分的系统组成给出了详细的功能说明和设计方案，然后介绍了读写器PCB的设计过程，设计完成后对读写器进行了性能测试。第四章为可重构双枝节匹配电路设计，首先介绍了几种常用的阻抗匹配电路，然后进行了阻抗匹配电路选型，在此基础上设计了一款基于变容二极管的可重构双枝节匹配电路来减小读写器射频前端由于天线失配造成的载波泄露问题。第五章为整体性能测试，首先对制约读写器性能的因素进行了分析，然后对读写器加与不加阻抗匹配电路两种情况分别进行了读写性能测试，由于本文采用的读写器芯片本身含有载波抑制系统，为了使性能对比更明显，又采用了一款无载波抑制系统的读写器进行了测试。第六章为总结与展望，总结了目前已做的研究工作，并展望了今后的研究方向。第二章 RFID系统性能分析2.1超高频RFID系统基本原理2.1.1超高频RFID系统组成超高频RFID系统一般由三部分组成，分别为读写器、电子标签和应用系统，如图2.1所示。首先读写器通过天线将载波信号发射出去，当电子标签进入读写器的识别区域时，电子标签被激活并通过读写器载波信号提供的能量将自身存储的信息发送回去，读写器接收到标签发回的信息后将它传给应用系统，应用系统根据用户的操作对标签进行读写、灭活和锁定等操作。图2.1超高频RFID系统组成结构图（1）电子标签电子标签由标签天线和标签芯片两部分组成，在超高频RFID系统中读写器与标签之间的通信基于反向散射耦合原理。电子标签本身没有能量，必须由读写器来提供，当电子标签进入读写器的识别区域时，电子标签接收到读写器发送的载波信号而被激活，根据读写器发送的指令完成相应的操作，然后将信息传给读写器。由于一个电子标签对应着一个商品，因此每个电子标签必须具有唯一的编号来对附着的物体进行区分。不同厂商生产的电子标签虽然天线增益和最小工作门限值不一样，但是每个电子标签存储器的结构是一样，都可以分为保留内存区、EPC存储区、TID存储区和用户存储区四种，只是容量大小有些差别，但是存储容量都不大，大约为1kbits。其中保留内存区存储了灭活和访问两种口令；EPC存储区即电子产品代码存储区，用来存储标签的EPC编号、协议控制字和本存储体中存储数据的CRC校验码，由于每个标签对应的物品是不同的，EPC编号正是那个用来表明每个商品身份的唯一ID号；TID存储区即标签识别号存储区，对于不同的生产厂商标签识别号是不同的，在该存储区中用户可以存储产品供应商的信息和自己的产品分类数据；用户存储器区可以用来存储用户自己定义的数据，支持读写操作，这个存储器对于不同的标签生产厂商是不同的，容量大的标签价格会高一些，用户可以根据自己的需要来选择该存储器。（2）读写器读写器，顾名思义，就是可以对标签进行读写操作的设备，主要包括射频前端和基带处理电路两部分。在超高频RFID系统中，读写器的设计是最复杂的，它是电子标签和应用系统之间的桥梁，既要处理接收到的标签信号，对标签完成读写和识别等操作，又要与应用系统进行交互，执行应用系统发送的指令信号和将处理后的标签数据汇总上传到应用系统。按照应用环境的不同读写器可以分为手持式和固定式，固定式读写器根据读写器和天线是不是装在一起又可以分为一体机和分体机两种16。固定式的读写距离较远，一般用在门禁系统、批量标签盘点和工厂自动化等领域，有多个天线端口可以同时连接多个天线来增大读写范围，性能较好，采用网口或串口通信，但是体积比较大；手持式采用无线通信方式，用在门店标签盘点、物流和资产追踪等领域，体积较小，但是性能相比固定式稍微差些，用户可以根据自己的应用需求来选择固定式或者手持式。未来的读写器将向着小型化、智能化、多功能的方面发展，与读写距离性能直接相关的射频前端的性能也将越来越好，比如说可以在工业现场直接和其他设备进行交互，甚至作为一台可以进行在线任务调度的控制器。读写器天线也是超高频RFID系统中非常重要的一部分，对读写器的读写距离有很大影响。天线的性能越好，则读写距离越远，稳定性也会越好。天线的性能指标主要包括增益、输入阻抗、驻波比、方向图和极化等。（3）应用系统应用系统的功能是对读写器进行设置、控制，并且可以结合具体项目的要求对标签数据进行筛选、判断、显示、存储和管理等操作。随着RFID市场的发展，需要处理的数据种类越来越多，信息容量越来越大，为了更好地对这些数据进行管理，可以将应用系统根据功能的不同可以划分成中间控制程序和上层应用程序，中间控制程序是读写器和上层应用程序之间的桥梁，上层应用程序通过对中间控制程序API的调用就可以对读写器进行控制17。这种模块化的分工对于从事RFID产业的公司来说具有重大的意义，他们不用把大量的资金和时间浪费在读写器底层工作流程和数据交换的重复开发上，而可以把更多的精力花在上层应用程序设计上，使设计出的应用程序更符合应用背景、更加人性化。这种方式极大地减小了应用系统的开发难度，缩短了开发时间，不过相比上层应用程序，中间控制程序的开发要困难得多。由于超高频RFID系统的应用领域较多，根据背景的不同应用系统通常需要专门定制，因此不具有通用性。对于一个应用系统来说，良好的用户体验是决定一个RFID应用案例能否成功的关键18。2.1.2基本工作原理RFID系统的基本工作原理如下19：（1）首先应用系统根据用户的操作将指令传给读写器，读写器接收到指令后进行相应的操作，然后将指令经由射频前端通过天线发射出去； （2）当电子标签进入读写器的识别范围时，电子标签被激活，获取读写器的指令并通过读写器提供的能量将自身存储的信息发送出去；（3）读写器接收到电子标签反向散射回的信号后，对信号进行解调、变频和过滤等操作，然后将得到的标签存储信息送往后台的应用系统进行进一步的处理。2.2超高频RFID系统性能分析2.2.1超高频RFID系统性能指标在超高频RFID系统中，读写器的功能是最强大的，设计也是最复杂的，它的性能基本上决定了整个RFID系统的性能。读写器的主要功能就是通过应用系统的控制完成对电子标签的读写、灭活和锁定等操作，它的主要性能指标如下所示：最大读写距离：最大读写距离是读写器一个非常重要的性能指标，与读写器的发射功率、接收灵敏度和天线的增益都有很大关系，因此是一个综合性的指标。读写器与电子标签之间的通信过程包括前向链路和反向链路两部分，因此读写距离理论上有两个，一个是与标签的灵敏度即标签能够工作的最小功率有关的前向链路读写距离，另一个是与读写器灵敏度有关的反向链路读写距离，在当前技术条件下，超高频RFID系统的最大读写距离取决于前向链路，即读写器向电子标签发射载波功率的能力。由于读写器的发射功率必须在国家规定的范围内，读写器的灵敏度也和射频前端的设计有很大关系，因此如何在这些限制下增大读写器的读写距离是一个非常值得深入研究的方向。读取率：读取率是指读写器能正确识别出电子标签的概率。当前超高频RFID系统在应用过程中，一个重要的问题就是对读取范围内电子标签的读取率达不到100%，在商业应用中，对标签的漏读是绝对不允许的，因此对读写器来说，读取率也是非常重要的一个性能指标。虽然最大读写距离和读取率看起来是两个不同的性能指标，其实两者之间是有紧密联系的，两者都与读写器接收到的标签信号的信噪比SNR有关。在通常情况下，增加读写器的读写距离，可以提高读写器的读取率；读取率的降低与读写器的读写距离较近有很大关系。吞吐率：超高频RFID系统的吞吐率与读写器和电子标签之间数据传输的速率有一定的关系，传输速率越快，系统的吞吐率就越大，对标签进行盘存所需的时间也就越短。但是数据传输速率与系统信道带宽、信噪比、信号调制和信道共享机制等因素也有很大的关系。2.2.2超高频RFID读写器结构按照电路功能的不同，超高频RFID读写器一般可以分为射频前端和基带处理电路两部分，其结构如图2.2所示。图2.2超高频RFID读写器结构图射频前端的主要功能是实现读写器与电子标签之间的数据传递，发射时对基带信号进行调制、放大等处理然后通过天线发射出去，接收时对反向散射回的标签信号进行解调然后送给基带处理电路；基带处理电路主要负责射频前端和应用系统之间的数据解析，对各种信号进行编解码和通信协议的处理，协调射频芯片的工作并实现CRC校验以及防碰撞功能。如果需要很强的数字信号处理能力，则可以采用DSP或FPGA等专用芯片。2.3射频前端接收信号分析（1）收发隔离电路选型对于读写器来说，根据收发信号天线是否相同，可以分为收发分离和收发一体两种方式。收发分离方式采用不同的天线来进行信号收发，两个通道是分隔开的，这种方式的优点就是两个通道之间的隔离度比较高，可以达到2530dB，缺点是显而易见的，每个天线只负责发射或接收，这样会增加天线的数量，占用的空间会比较大；收发一体就是采用同一个天线来发射和接收信号，这种方式采用的器件必须具有能同时进行信号收发的功能，一般会采用环形器或者定向耦合器。由于采用收发分离方式会占用较多的空间，本文从读写器的小型化设计考虑，采用收发一体方式。环形器的通路损耗较小，但是环形器的成本较高，并且体积较大；定向耦合器虽然对接收信号有一定程度的衰减，但是定向耦合器的成本较低，体积较小，可以实现读写器的小型化设计。通过采用高隔离度的定向耦合器，可以有效地减小泄漏到接收通道的载波，提高接收灵敏度，因此本文采用定向耦合器来说实现收发隔离。（2）接收信号分析读写器接收到的标签反向散射回的ASK信号可以表示为： 其中表示标签的二进制“0”“1”数据序列，表示未调制信号相位，表示由调制的信号幅度，表示由调制的信号相位。接收机的本振信号可表示为： 其中表示本振信号的幅度，表示本振信号的相位。在无源超高频RFID系统中，由于电子标签没有电源，所以必须由读写器来提供能量以使其正常工作。读写器在接收标签信号时，为了使标签能够正常工作，还必须持续发射载波信号，这样发射的强载波信号和接收的微弱标签信号将同时存在于读写器天线上。发射的载波信号在经过放大和滤波等处理后进入定向耦合器，然后通过天线发射出去，在理想情况下发射的载波信号是不会泄露到接收通道的。但是由于实际产品的隔离度没有那么高，接收通道就会存在从发射通道泄露的未调制载波信号，如图2.3路径所示；另外当信号经过天线时，由于天线生产不一致和外部环境的影响，会使天线的发射特性发生变化，特殊的天线如近场天线一般都会有很高的反射特性，这样发射的信号就会有一部分反射回来进入接收通道，造成载波泄露，如图2.3路径所示。图2.3载波泄露分析现将泄露到接收通道的载波信号表示为： 其中表示为信号幅度，表示为信号相位。泄露载波信号和反向散射信号进入接收机后进行I/Q解调，然后经过低通滤波器输出，两路信号可表示为： 其中表示接收机的传输系数（包括射频带通滤波器、功分器、混频器和基带带通滤波器的增益或插损）表示接收机内部的热噪声。 在实际应用中，泄露的载波信号幅度通常要比反向散射信号和噪声源的幅度大几个数量级，因此读写器解调出标签信号的信噪比主要由泄露载波信号决定，和的噪声可以忽略不计。由零中频接收机结构可知，泄露的未调制载波信号和本振信号来源于同一个本振，因此可将解调信号进一步表示为： 其中表示本振相位噪声的随机过程，表示和信号之间的相对时延，表示和信号之间的相位差。从以上讨论可以看出，射频接收机主要噪声受时延和的影响，且主要在较低频段。2.4载波抑制方案设计为了有效解决超高频RFID读写器普通存在的载波泄漏问题，本文从载波泄露的根源出发，设计了一个收发通道隔离度较高的读写器和一个可重构双枝节匹配电路。高隔离度的收发通道用来抑制由于收发通道隔离度不高造成的载波泄露，可重构双枝节匹配电路则用来抑制由于读写器天线失配造成的载波泄露，如图2.4所示。图2.4载波抑制方案设计2.5本章小结本章首先介绍了超高频RFID系统的构成和工作的基本原理，然后给出了超高频RFID系统的性能指标，对读写器进行了模块划分并对各个模块的功能进行了详细的分析，最后对读写器射频前端的接收信号进行了分析，指出载波泄露是影响读写器性能的根本原因并给出了相应的解决方案。第三章 读写器设计及测试3.1射频前端收发芯片选型目前超高频RFID读写器射频前端的设计方案主要有采立元件搭建采和用读写器芯片两种方式。采用分立元件搭建的优点是成本低廉，拥有自主知识产权，但不足之处是元器件数目较多，功耗较大，可靠性差，调试较为困难，开发周期长，不利于超高频RFID读写器的推广和应用；读写器芯片的集成度比较高，将大部分射频前端电路集成在了一块芯片中，所需外围元件较少，有利于读写器的小型化设计，简化了设计流程，降低了开发难度，缩短了开发周期，性能稳定，可靠性高，缺点则是成本相对较高。本文从读写器性能和开发难度的角度考虑，最终决定采用读写器芯片的方案。目前世界上的超高频RFID读写器芯片设计厂商主要有3家，分别为：欧洲的奥地利微电子，代表芯片为AS3993/AS3992；美国的IMPINJ，代表芯片为R2000/R1000/R500；韩国的PHYCHIPS，代表芯片为PR9200/PR900022-2324。三家厂家芯片的性能不尽相同，各有优势，具体性能参数如表3.1所示。表3.1不同厂家读写器芯片性能参数比较 芯片性能参数R2000AS3992PR9000工作频段840960MHz840960MHz840960MHz支持协议ISO 18000-6CISO 18000-6A/B/CISO 18000-6C功率调节范围30dB20dB20dB灵敏度-95dBm-86dBm-85dBmDRM支持内部集成不支持封装类型QFNQFNQFN封装尺寸9mm*9mm9mm*9mm7mm*7mm调制类型DSB-ASK、PR-ASK、SSBDSB-ASK、PR-ASKDSB-ASK、PR-ASK供电电压1.8V、3.3V、5V3.3V3.3V引脚数646448MCU无无有载波抑制有无无在读写器芯片选型上，我们要考虑芯片的功率调节范围、接收灵敏度、功耗、集成度和价格等因素。从表3.1可以看出，与AS3992和PR9000相比，R2000在DRM、功率调节范围和接收灵敏度等方面优势较明显，尤其在接收灵敏度这个重要的性能指标方面，R2000可以达到-95dBm。R2000同时也，通过我们在射频前端增加的载波抑制措施，可以大大减轻R2000载波抑制系统的压力，优化读写器系统的性能，因此我们采用Impinj公司的R2000芯片作为超高频RFID读写器的射频前端收发芯片。3.2读写器结构设计读写器包括射频前端和基带处理电路两部分，射频前端以R2000读写器芯片为核心，其外围电路主要包括射频发射通道、射频接收通道、24MHz TCXO、环路滤波器和DRM滤波器等；基带处理电路以AT91SAM7S256芯片为核心，其外围电路主要包括18.432MHz无源晶振、复位电路、SAM-BA以及JTAG等。下面将从射频前端、基带处理电路两个部分分别来进行分析和设计，如图3.1所示。图3.1超高频RFID读写器结构设计图3.3射频前端设计3.3.1 R2000读写器芯片介绍R2000是美国Impinj公司开发的一款高集成度、高性能、低功耗的超高频RFID读写器芯片，基于ISO18000-6C/EPC Gen2协议标准。R2000将大约90%的射频器件集成在了一起，使成本大大降低；支持多种读写器设计模型，尺寸小，采用QFN封装，功耗小；工作频率范围为840-960MHz，符合FCC，ETSI的要求标准。R2000内部集成了现代射频前端所需要的所有模块，包括：高压缩比混频器；可选片外DRM滤波器；复杂的BPF；ADC（48MHz）；Modem（DSP）；Tx预失真；低相噪频综；线性RF放大器。并且内部含有载波抑制系统，通过把发射的载波信号作为参考来对RF LNA接收信号中的相应部分进行抑制，从而达到载波抑制的目的。芯片内部结构和载波抑制系统结构分别如图3.2和图3.3所示。图3.2 R2000读写器芯片内部结构图图3.3 R2000芯片载波抑制系统结构图3.3.2射频发射通道3射频发射通道主要包括功率放大电路、低通滤波电路、收发隔离及功率检测电路、天线端口选择电路等，主要实现R2000输出信号的放大、滤波、收发信号隔离、前反向功率检测以及天线端口选择等功能。（1）功率放大电路在无源超高频RFID系统中，标签工作所需求的能量必须由读写器来提供，所以读写器的输出功率、接收灵敏度和天线增益等参数和读写距离都有很大的关系。我们可以简单地通过增加输出功率的方式来增加读写距离，但是输出功率过大对人体会产生伤害，根据国家规定，我国超高频RFID的最大发射功率为2W，即+33dBm25。R2000读写器芯片输出功率的典型值为+11dBm，因此必须外接功率放大器来达到8dBi圆极化天线能读写5m的基本指标。由于读写器所处的现实空间是有限的，并且会受到周围环境的影响，为了分析方面，我们可以假设一种自由空间。它是一个无限大并且其中的介质都是线性、均匀、各向同性的理想空间，没有介质损耗，也不用考虑边界26。下面我们通过读写器和标签之间的无线链路性能分析来得到功率放大器的增益，使输出功率既在国家规定的安全范围之内，又达到读写距离的基本要求，如图3.4所示。图3.4无线链路性能分析设读写器的输出功率为，读写器天线增益为，标签天线增益为，读写器天线和标签天线之间的距离为，则标签天线所接收到的信号功率为27： 式即为最简单情况下的弗里斯（Friis）公式。令 其中，定义为自由空间中的电波传播损耗，则 其中，为电磁波的频率；=3*108 m/s为光速。用分贝表示，则有：本文设计的读写器的中心频率为915MHz，带入公式(3.4)得到5m处的电磁波传播损耗： 本文采用的电子标签的最小工作门限值为-13dBm，标签天线增益为0dBi，为了读取5m处的电子标签，读写器需要发射的功率至少为：另外考虑到由于馈线、连接头等引起的功率放大器和读写器天线之间的损耗与标签芯片和标签天线之间的损耗，至少要保留3dB的余量，则需要外接的功率放大器的增益至少为： 在功率放大器芯片选型上，我们考虑的指标主要包括增益、最大输出功率、效率、增益和成本。在对主要器件厂商功率放大器芯片大量调研的基础上，本文最终采用了RFMD公司的RF5110G功率放大器芯片。该芯片具有效率高、输出功率大等优点，工作频段为800MHz950MHz，效率可达57%左右，在3.5V电压下工作时输出功率可达+36dBm，而且具有很好的线性度与信噪比，设计原理图如图3.5所示。图3.5功率放大电路原理图（2）低通滤波电路R2000的输出信号经过放大后，由于器件的非线性特性，会存在频率丰富的谐波分量，为了抑制这些谐波，本文设计了一款低通滤波器。低通滤波器的仿真电路图和S参数仿真结果分别如图3.6和图3