（电磁场与微波技术专业论文）915mhz+saw读卡器射频电路的研究与设计.pdf

摘要 摘要 i i l r r lr f f l i i if l li l f lr l 1 liii 、t19 7 4 5 3 4 射频识另i ( r f i d ) 技术在现代社会的许多领域得到了迅速的推广和发展，它利 用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，实现目标的自动识别。且能同时 识别多个射频标签，识别速度快，使用简单方便。因而具有很大的潜力和应用前 景，将成为未来信息社会建设的一项基础技术。声表面波无源标签是近年来研究 的热点，由于s a w 标签内部没有任何电路和电子元件，不存在任何电路效应， 所以抗电磁干扰能力强，可靠性高，极为适合在强电场强磁场环境下工作。也能 工作于金属、液体表面，这些都是传统电子标签所不能比的。而利用声表面波技 术实现射频识别称为声表面波射频识别，它是世界上r f i d 的最新研究热点。 本文对影响读卡器识别性能的各种因素进行了深入的分析，运用a d s 仿真 软件对s a w 读卡器中前端射频电路的进行了系统的设计与仿真，包括一个完整 的接收机、发射机和隔离电路系统的设计。该系统中心频率是9 1 5 m h z ，接收机 灵敏度8 4 d b m ，设计识别最大距离达8 4 9 m 。具体工作主要包括以下几点： ( 1 ) 提出了一种改进的中频接收机方案，克服了单正交零中频接收机的直流 漂移和低频噪声的缺点，基于该方案，在a d s 环境下建立一个完整的读卡器收 发机射频电路模型。并对其进行了谐波平衡仿真、包络仿真、误码率仿真、增益 预算仿真。 ( 2 ) 低噪声放大器是读卡器射频电路前端的关键部件，本文运用a d s 软件仿 真设计了一个低噪声放大器，并完成了实物的制作和测试，获得了良好的测试结 果。另外，也仿真设计了一个中心频率是9 1 5 m h z 的巴特沃斯带通滤波器。 ( 3 ) 利用锁相环技术设计了一个9 1 5 m h z 锁相环本振源。 ( 4 ) 通过市场调研选定了读卡器中所需要的各种芯片，分析了相关参数和特 点。给出了射频电路的具体实现方案，并给出了有源器件的电路原理图。 本文完成了s a w 读卡器射频识别电路的理论设计与仿真，取得了课题的阶 段性成果，对下一步实际读卡器的制作具有重要的指导意义，对读卡器芯片的设 计也具有重要参考意义。最后预估了本课题设计将要面临的一些问题和局限性， 并对我国的射频芯片产业作出展望。 关键词：a d s ，声表面波，零中频接收机，l n a ，标签 a bs t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n ta n d p r o m o t i o ni nm a n ya r e a so fm o d e ms o c i e t y , w h i c hu s e sr a d i os i g n a l st of i n i s ht h e a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt h r o u g hs p a c ec o u p l i n gw i t h o u ta c c e s s i n gt ot a r g e t ，a n dc a l l a l s of a s ti d e n t i f ym u l t i p l er f i dt a g s ，i na d d i t i o n ，w h i c hi se a s yt ou s e t h u si th a s g r e a tp o t e n t i a la n dp r o s p e c t sa n dw i l lb e c o m eab a s i ct e c h n o l o g yi n t h ef u t u r e i n f o r m a t i o ns o c i e t y s u r f a c ea c o u s t i cw a v ep a s s i v et a gi sar e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n t y e a r s ，i th a s n tc i r c u i te f f e c t a ta l ld u et ot h e r ea r e n tc i r c u i t r ya n de l e c t r o n i c c o m p o n e n t si nt h et a g ，s om a ti th a ss t r o n ga n t i - e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n dh i g hr e l i a b i l i t y , s oi ti se s p e c i a l l yu s e f u lf o rw o r k i n gi nae n v i r o n m e n to fs t r o n g e l e c t r i ca n ds t r o n gm a g n e t i c i tc a na l s ow o r ko nt h em e t a lo rl i q u i ds u r f a c e ，w h i c h c a n tb ec o m p a r e db yt h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o n i ct a g i ti sc a l l e ds a wr f i dt ou s e t h es u r f a c ea c o u s t i cw a v et e c h n o l o g yf o ri d e n t i f i c a t i o n , i ti st h el a t e s tr e s e a r c hf o c u s i n t h e w o d d t h ep a p e rc a r r i e so u tad e p t ha n a l y s i sf o rav a r i e t yo ff a c t o r sw h i c hc a ni n f l u e n c e t h ep e r f o r m a n c eo fr e a d e r , t h eu s eo fa d ss i m u l a t i o ns o f t w a r ec o n d u c tas y s t e m d e s i g na n ds i m u l a t i o nf o rt h ef r o n t e n dr fc i r c u i t si nt h es a wr e a d e r , i n c l u d i n ga c o m p l e t ed e s i g no ft h er e c e i v e r , t h et r a n s m i t t e ra n dt h ei s o l a t i o nc i r c u i t t h er e a d e r s c e n t e rf r e q u e n c yi s915 m h z ，t h es e n s i t i v i t yi s - 8 4 d b m ， a n dt h em a x i m u m i d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c ei s8 4 9 m s p e c i f i cw o r k si n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a ni m p r o v e di fr e c o v e rs c h e m ei sp u tf o r w a r dt oo v e r c o m et h ed cd r i f ta n d l o wf r e q u e n c yn o i s eo ft h es i n g l eq u a d r a t u r ez e r oi fr e c e i v e r , t h e nb a s i n go nt h e p r o g r a m ，i tc r e a t e sac o m p l e t er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gr fc i r c u i tm o d e lo fs a w r e a d e ri nt h ea d se n v i r o n m e n t a n dt h eu s eo fa d sc a r r i e so u tt h eh a r m o n i cb a l a n c e s i m u l a t i o n ，e n v e l o p es i m u l a t i o n ，b i te r r o rr a t es i m u l a t i o n ，t h eg a i nb u d g e ts i m u l a t i o n f o rt h er e a d e rm o d e l ( 2 ) t h el o wn o i s ea m p l i f i e ri sak e yc o m p o n e n ti nt h ef r o n t e n dr fc i r c u i t so f t h e r e a d e r , i ti sd e s i g n e db ya d s s o f t w a r ei nt h ep a p e r , i ti sp r o d u c e da n dt e s t e d ，a n dt h e g o o dt e s tr e s u l t sa r ea c q u i r e d i na d d i t i o n ，i ta l s od e s i g n sab u t t e r w o r t hb p f w h o s e c e n t e rf r e q u e n c yi s915 m h z ( 3 ) i td e s i g n sa9 15 m h zl o c a lo s c i l l a t o rt h r o u g ht a k i n ga d v a n t a g eo fp h a s e - l o c k e d i i 安徽大学硕士学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 l o o pt e c h n o l o g y ( 4 ) i th a ss e l e c t e dt h ev a r i e t yo fc h i p sw h i c ha r er e q u i r e di nt h er e a d e rt h r o u g h r e s e a r c h i n gm a r k e t ，a n di ta n a l y z e st h e i rr e l e v a n tp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c t h e n b o t ht h es p e c i f i cr fc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o ns c h e m ea n dt h ec i r c u i td i a g r a mo fa c t i v e d e v i c e sa l s oa r eg i v e n t h ep a p e rh a sf i n i s h e dt h et h e o r e t i c a ld e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h er f i dc i r c u i t s a n da c q u i r e dt h es t a g ea c h i e v e m e n to fp r o j e c t t h ed e s i g ne x e r t sg r e a td i r e c t i v e s i g n i f i c a n c ei nt h en e x ts t e ps u c ha sp r o d u c i n gt h er e a lr e a d e ra sw e l la sd e s i g n i n gt h e r fr e c e i v e rc h i p a tl a s t ，t h ep a p e re s t i m a t e ss o m ep r o b l e m sa n dl i m i t a t i o n sw h i c h w i l lb ef a c e df o rt h ep r o j e c t , a n dm a k e sa l lo u t l o o kf o rt h er fc h i pi n d u s t r yi no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：a d s ，s a w , z e r o - i fr e c e i v e r , l n a ，t a g i i i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 射频识别技术( r f i d ) 是近年来发展极为迅速的一种非接触式识别技术，应用 领域日益扩大，已深入人们日常生活中的各个方面。由于电磁波的无线传输性， 它不同于早期的i c 卡、磁卡等接触式识别技术，具有穿透和扫描的能力，因此 无需人工干预就能完成识别工作，实现自动化。它能快速识别高速运动物体，也 同时能实现多目标识别，这些特点使它将成为未来信息社会的一项基础性技术。 基于声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 技术的射频识别无源标签是应用 了声学、现代电子学、半导体平面工艺、雷达及信号处理等技术的新成就。它是 在物体表面行进的弹性波，与地震波相似，又因为与声速相近，故称为声表面波。 声表面波标签包含一个标签天线、叉指换能器( i n t e r - d i g i t a lt r a n s d u c e r ，i d t ) 和压 电晶体。叉指换能器将标签天线接收到的射频信号转换成声表面波使其沿着晶体 表面传播，微小的反射体以一种独特的排列附着在压电晶体面上，这些反射体又 在入射的声表面波上反射出独特的信息模式，经叉指换能器将声表面波信号再转 换回射频信号，将标签数据发送给接收机天线接收，后续的数字信号处理系统将 接收到的标签反射信号转换成唯一的i d 码f 1 1 。 根据射频识别和声表面波这两种技术的特点，把他们结合起来，将会产生更 大的技术优势。 1 2s a w r f i d 的国内外研究状况 目前国际上掀起了研发r f i d 的热潮，但r f i d 的发展却有相当长的一段历 史。利用反射的射频功率进行通信的概念可以追溯到雷达技术的起源。比如二战 期间，英国发明的敌我识别雷达收发系统被盟军用来识别友方飞机。它通过被动 的雷达反射波调谐己方雷达的频率使友方的飞机相对于敌方的飞机更清晰。 1 9 4 8 年1 0 月，h a r r ys t o c k m a n 发表了反射信号的连续时间调制，是关于 r f l d 最早和有重大意义的工作。他在马萨诸塞州的空军物料司令部工作时，发 安徽大学硕士学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 明的识别设备成为人类在反射小信号技术研究方面的里程碑。 在1 9 6 0 年到1 9 7 0 年这十年间，对r f i d 感兴趣的相关研究显著的多了起来， 早期的划时代的成就是被动r f i d 异频雷达接收机的发明，且在1 9 6 3 年7 月， 被r i c h a r d s o n 申请专利。该专利能耦合和调整来自询问器的电磁场能量，而且以 接收的频率谐波传输信号。1 9 6 7 年1 月，v i n d i n g 发明了一个基于感应耦合的简 单和便宜的问答器系统，并获得了美国的专利。 1 9 7 5 年8 月，在新墨西哥州北方的l 0 sa l a m o s 科学实验室( l a s l ) 的k o e l l e ， d c p p 和f r c m a n 提出了一个新颖的概念，他们认为将询问器天线负载调制看作为 反向散射调制，它是一个简单有效的方法。 r f i d 的第一次商业应用是用于监管电子商品，由k o n g o ，s e n s o r m a t i c 和 c h e c k p o i n t 公司在上个世纪6 0 年代末发明。1 9 8 0 年到1 9 9 0 年，i 心i d 的商业化 在世界各地的不同领域得到充分认识和加速发展。美国人关注的领域包括运输和 人员出入，而欧洲国家主要关注动物跟踪、电子税收和工商业的小范围应用。 1 9 8 7 年，欧洲第一个实用的r f i d 电子收费系统正式在挪威使用。在美国， 首个r f i d 不停车收费系统在1 9 8 9 年于达拉斯加州北部的收费公路建立。r f i d 商业应用的发展促使了行业标准的需要。在1 9 9 0 年，产生了一些标准化的行动。 这些活动的最大部分是由i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ( i s o ) 和i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ( m c ) 组织的，随着r f i d 在物流管理中成为重要的手 段，促使了一系列更深远的标准化行动。里程碑的事件是1 9 9 6 年a r i c l en u m b e r a s s o c i a t i o n ( a n a ) 和e u r o p e a n a r t i c l en u m b e r ( e a n ) 组织将r f i d 的标准作为一个 数据载体。1 9 9 9 年，剑桥大学和麻省理工学院发起建立了国际性的r f i d 研究机 构一a u t oi d 中心。2 0 0 3 年，a u t oi d 中心即推出了一系列的相关研究成果，包 括著名的“物联网 和电子码( e p c ) 概念。它以i 心d 标签为载体，为世界上每 一件产品赋予唯一的电子编码( e p c ) 标识，从而将所有产品链接到网络上，实现 对物品的自动识别和网络化管理，即所谓的“物联网 。而r f i d 技术则是“物 联网的“基础设施 ，是实现信息采集的数据载体【2 】。 e p c 和“物联网”概念得到大部分世界5 0 0 强跨国公司和各国政府的支持， 因此r f i d 技术得到迅速发展。比如在日本，2 0 0 3 年1 0 月，日本经产省就提出 了电子标签的应用普及计划，并在2 0 0 4 年5 月公布了日本的编码体系标准。日 本成立了约有百余家企业参与的相关r f i d 技术研发的技术产业联盟和行业试点 2 第一章绪论 应用。美国国防部推行了全面导入电子标签的“未来计划”，要求它的供应商从 2 0 0 5 年开始，在每年价值2 4 0 亿美元的运输箱、包装箱和集装箱上使用r f i d 标 签。2 0 0 6 年，沃尔玛公司也要求所有供货商的产品包装都要加贴电子标签。此 项行动单是在r f i d 电子标签的采购量上就高达l o 亿个。沃尔玛公司并表示今 后将不再从那些未使用r f i d 技术的供应商处采购商。根据国外咨询机构a b i r e s e a r c h 预测，全球r f i d 产业市场2 0 1 5 年将增加到2 4 4 7 亿美元。r f i d 技术 将成为继手机和互联网之后，全球信息产业技术的又一场革命。 在我国，低频和高频r f i d 发展较早，技术也较成熟。已广泛应用于社会生 活的方方面面，因此这两个频段的产业已得到充分发展。比如第二代身份证的大 规模换发。但u h f 频段在我国发展较晚，技术还不成熟。比如芯片的制造，封 装集成技术和设备等核心技术非常薄弱。开展该方面研究的公司又少，因此产品 应用的成本高，而且也没有像欧美国家那样的大团体和机构制定相关标准，因此 我国的u h f 频段的r f i d 的发展还处在起步阶段。但9 1 5 m h z 频段作为新兴的 研究频段，随着电子和微波产业在我国极其迅速的发展，在这个大趋势下，我国 的u h f 频段r f i d 技术和应用也必将有重大突破。 1 8 8 5 年，l 0 r dr a l e i g h 根据对地震波的研究，理论上说明了声表面波的存 在。1 9 6 5 年，r m w h i t e 和e w v o l t m e r 在应用物理杂志上发表了题为“一种新 型声表面波声电转换器叉指换能器的论文指出若在压电晶体上镀上叉指换能 器( i d t ) 能成功激发和接收声表面波。因此取得s a w 波技术的关键性突破。1 9 6 8 年，斯坦福大学的研究机构在l i n b 0 3 基片上，用仅4 d b 的叉指换能器的声一电 转换损耗，克服了声表面波原先插入损耗大、承受功率低的缺陷，从此s a w 技 术走上了快速发展的道路。现在，数以亿计的s a w 器件已广泛应用于手机、遥 控和电视等生活领域中。而s a w 射频识别技术中的s a w 标签的研究始于上个 世纪8 0 年代，受到现代微电子工艺、声学等相关学科的制约，它的发展和应用 还在起步阶段【3 1 。因为国内外进行研究的并不多见，在国际市场上，也只有美欧 几家公司能够生产商业化的s a w 标签。图1 1 为美国r f - - s a w 公司的声表面 波读卡器系统。在欧洲，s i e m e n s 公司的s o f i s 声表面波系统已经成功用于德国 慕尼黑火车站定位系统中。而i d e n tg m b h 公司生产的o i s w 声表面波标签已也 已经在挪威奥斯陆汽车过桥自动收费系统中应用。我国也在1 9 7 7 年1 0 月和1 9 8 0 年4 月相继召开了全国第一届和第二届声表面波学术会议。在本世纪初，有少数 3 安徽大学硕士学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 研究所和企业开展了s a w 标签和相关产品的研发及样机品样品的试制。比如， 2 0 0 3 年以来，南京电子器件研究所开始跟踪s a w 技术的发展，并开展了9 1 5 m h z 与4 3 3 m h z 两个频段声s a w 标签系统的开发，对读卡器与工程应用等关键技术 作了大量的实际工作。但总体上还是处于理论研究和试验阶段，目前还没有产业 化的s a w 标签的出现。 图1 1s a w 读卡器系统 就世界范围而言，声表面波标签的独特优势还没在实际运用中体现出来，所 以它的发展任重而道远。但因为其独特的优势和诸多优点，对该技术的研究越来 越受到重视，它必将会吸引更多的研究机构和科技工作者加入到这项技术的研究 中来。 1 3 课题研究背景及意义 在我国，每年仅在烟酒、i t 及消费电子产品的商业流通领域，至少需要3 0 亿个以上的r f i d 标签和3 亿5 亿个阅读器。作为全球最大的r f i d 芯片和标 准的应用市场，已具备1 3 5 6 m h z 以下的r f i d 和芯片的制造能力。但在9 1 5 m h z 频段的技术和应用还处于初级阶段。而r f i d 在商业物流方面的大规模推广是基 于9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 频段的。由于随着r f i d 应用的不断扩大，其在 中低频阶段的缺点日渐突出，识别距离近，一般都是1 0 厘米左右，就算通过改 进读写模块和提高发射功率，但受读写方式的限制，最大读写距离也只能限制在 1 5 米以内。不能适应快速移动物体的识别，因为中低频天线识别范围有限和通 讯速率的限制，使其很难应用于像高速列车识别和高速公路不停车收费这些领 4 醴 第一章绪论 域。为了大规模的推广r f i d 技术的应用，必须采用u h f 及以上频段的系统。 但在与此相关的产业和应用方面的基础方面，我国还很薄弱，在u h f 及以上频 段的芯片研发方面也是非常不足。比如在研究中进行芯片的选型时，所有的芯片 都来自于美国的公司。超高频段( u h f ) 是国际上最先进的自动识别技术，它识别 距离远，识别速度快，使用寿命长，而相对于微波频段其开发成本又较低，因此 其技术发展也最快。微波频段的2 4 5 g h z 和5 8 g i - l z 频段由于其产品拥挤，容易 被干扰而且技术复杂，开发成本高，对其的技术研究和应用还处于探索阶段。但 总体的r f i d 技术已在生活中已发挥重要作用，产生巨大的经济效益。而将r f i d 与声表面波技术相结合开发的声表面波读卡器相对于传统的电子识别模式，又增 添了很多独特的优判4 1 ，比如： ( 1 ) 因为其传输速率低，仅相当于电磁波的十万分之一，因此传播损耗小。 另外有效的反射脉冲串在经过几微秒的延迟后才回到读卡器，在此延迟期间，来 自读卡器周围的干扰反射已被衰减，不会对s a w 标签的有效信号产生干扰。在 超高频段电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的，同理作为电磁器件声学模拟的声 s a w 器件也是与它的波长相比拟的，所以同一频段上，s a w 波器件的尺寸比电 磁波器件的尺寸小很多。例如，用一千米长的微波传输线所得的延迟，只需要用 传输径l 厘米的s a w 延迟线即可实现。 ( 2 ) 无源低功耗，制作工艺与半导体技术兼容，容易实现片上集成；灵敏度 高，直接相位和频率输出，稳定性高；识别范围大，从数米到数十米；应用范围 广，可使用在金属及液体产品上，能识别速度达3 0 0 千米川、时的高速运动物体， 也可在高温差( 1 0 0 c 3 0 0 c ) 、强电磁干扰等恶劣环境下使用。其应用领域包括 公共交通、物流管理、防伪、航空行李分拣以及大桥自动收费等。在军事上可用 作敌我识别，识别人，识别兵器，防止导弹误击己方。 ( 3 ) 声表面波标签具有电磁波所不具有强抗电磁干扰能力，在速度、准确度、 工作环境和小型化方面都具有突出的优势。动态范围高，能达到1 0 0 d b ，这是由 于它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。 通过对该课题的研究促进了对9 15 m h z 的r f i d 读卡器和声表面波技术的相 关研究，完成其理论设计和相关计算。也通过对声表面波标签的理论分析和探讨， 为对这两个新兴技术以后的发展提供一定基础研究。而且在课题研究中不断跟踪 国内外相关技术的发展与应用，使之对该技术的目前状况和发展趋势有所评估。 5 安徽大学硕士学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 同时也希望能吸引更多的人进行相关课题的研究，促进声表面波技术和9 1 5 m h z 及其以上频段的r f i d 读卡器的发展和应用。我国在这些频段的相关产业和应用 基础薄弱，而芯片研发和制造能力的落后又体现了技术方面的差距。目前基于i c 标签的r f i d 技术申请的相关专利标准已经相当广泛，我国很难在设计上绕过这 些专利，拥有自己的知识产权。而s a w 无源识别有望占得先机，在r f i d 领域 中占有一席之地。 1 4 论文的主要工作和章节安排 本文进行了声表面波技术的原理分析，并运用安捷伦公司的仿真软件a d s 对9 1 5 m h z 读卡器的接收模块和发射模块进行了全面系统的建模和仿真，完成 了关键部件低噪声放大器的设计与调试。主要完成的工作包括： ( 1 ) 第一章，介绍了s a wr f i d 相关技术的国内外发展状况和研究意义。 ( 2 ) 第二章，介绍了s a w 读卡器的工作原理，分析了读卡器的相关技术指标 和影响性能的相关因素，并对s a w 标签进行了分析。 ( 3 ) 第三章，分析了两种接收机方案的特点，提出一种改进的零中频接收机 方案。在a d s 环境下，完成了s a w 读卡器中射频电路系统的建模和仿真。 ( 4 ) 第四章，对读卡器中余下的器件选择进行了分析，并仿真设计了一个预 选频带通滤波器。 ( 5 ) 第五章，运用a d s 仿真了一个9 1 5 m h z 频段的低噪声放大器，完成了实 物的制作与调试。并设计了一个9 1 5 m h z 锁相环本振源。 ( 6 ) 第六章，对全文作出总结，并展望了下一步的研究工作。 6 第二章s a wr f i d 的工作原理 第二章s a wr f i d 的工作原理 2 1s a w 读卡器的基础 2 1 1s a w 读卡器系统的工作流程 s a w 读卡器系统包括读卡器和无源声表面波标签两个部分，读卡器则由射 频收发模块、信息处理模块、外围接口电路等组成。声表面波标签则有标签天线、 叉指换能器( i d t ) 、压电基片和反射栅组成。其系统原理图如图2 1 所示： 瀵卡弥冲 ，i 心 l 际整尺线 1 1 ) i “ 编码反射嚣 图2 1s a w 读卡器系统原理图 其工作流程大致如：锁相环本振源产生一个稳定的本振正弦信号，通过射频 开关通断产生脉冲调制载波信号，再由读卡器的天线周期地发送脉冲调制载波信 号，在s a w 标签天线的接收范围内，被接收到的信号通过i d t 转变成声表面波， 并沿晶体表面传播。反射栅阵列对入射的声表面波部分反射，并返回到i d t ，i d t 又将反射回的声表面波脉冲串转变成电磁波脉冲串。如果将反射栅阵列按某种特 定的规律排列，使其反射信号表现出规定的编码信息，那么读卡器接收到的反射 高频脉冲串就带有该标签的特定编码信息。再通过信号的包络解调与信息处理， 就能实现目标的自动识别。 2 1 2 读卡器射频电路的性能分析 ( 1 ) 读卡器的识别距离分析 射频识别系统实际上是个小型雷达，根据雷达原理可以得到读卡器的作用 距离公式为： 7 安徽大学硕士学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 r2 ( 2 1 ) 式中g f 是发射天线的增益，g ，是接收天线的增益，a 是射频信号的波长， p 是发射机的发射功率，k = 1 3 8 2 x 1 0 。2 3 j k 是玻尔兹曼常数，t o = 2 9 0 k 是等效 噪声绝对温度，f 是接收系统的噪声系数，b 是等效噪声带宽， s n 是信噪比 ( s n r ) ，d 是无源标签的插入损耗旧。可以看出信噪比影响接收机的识别距离， 另外信噪比越高，系统的误码率也越低，所以说接收机的性能主要由s n r 决定。 另外，是接收机的灵敏度，有： c r s m t o b f 。- q - ( 2 - 2 ) 为计算方便引用常见的工程量，该式用d b m 表示： 一1 1 4 + 1 0 1 9 b + 1 0 1 9 f + 1 0 l g 熹 = e t f ) d f ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，z 和石分别为信号频率的上限和下限，p ( 厂) 为发射信号的功率 谨 旧。 由式( 2 1 ) 可v a 看出，为了获得较远的识别距离，需要较高的天线增益q 、g ， 和发射功率p ，而标签天线限于尺寸，增益一般是有限的。高增益的读卡器天线 能有效的改善读卡器解调信号的信噪比，提高识别距离，减小误码率。另外，理 论上发射功率越大识别距离也越大，但大功率需要大功率管增大系统损耗，而且 只是简单的增大发射功率也不能改善信噪比，另外最大发射功率也受限于行业标 准。该系统最大发射功率要求是3 2 5 d b m 。 在满足s a w 标签激活所需要的能量的前提下，读卡器的最大识别距离厂眦如 式( 2 5 ) 所示。 旯 ，嗽2 z 4 万 ( 2 5 ) s a w 标签的插入损耗d 主要包括两部分，一部分是激活无源s a w 标签的 能量损耗，包括叉指换能器( i d t ) 的转换损耗，还有声表面波在标签上v a 声波传 播时，传播过程中每微秒延迟也会产生约6 d b 的损耗，根据相关研究这部分损 第二章s a wr f i d 的工作原理 耗设计为约5 4 d b m 7 ，8 1 ，发射机发射功率p = 3 2 5 d b m ，发射天线采用增益 g f = 1 6 d b i 的圆极化发射天线，接收天线增益g ，= 3d b ，要求系统最大噪声 k = 8 d b ，信号处理要求最小信噪比鄹识曲= 1 2 d b 。由附录一的m a t l a b 程序计 算出读卡器的灵敏度和最大识别距离分别是= - 8 4 d b m ，= 8 4 9 m 。 由式( 2 3 ) 也可以看出在接收机灵敏度确定后，为了获得较高的信噪比，提高 识别的准确度，需要尽量减少接收机的噪声系数。 另外电磁波在自由空间中的传播会产生损耗。对于s a w 射频识别这一特定 应用领域，读卡器与标签距离一般不超过2 0 米，所以可以认为读卡器与标签之 间的传播损耗主要来自于电磁波的直线传播产生的损耗，根据移动通信相关理论 【9 】，直线传播损耗表示为： ：2 0 1 9 ；( 4 n f c d ) ( 2 - 6 ) 用d b m 表示： 毛= 3 2 4 5 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 9 f o ( 2 - 7 ) 式中尼= 无幸石是发射信号的几何平均频率( m h z ) ，由于带宽为1 0 m h z ， 计算出厶= 9 1 5m h z 。d 为识别距离( m ) ，c 是自由空间电磁波传播速度。由式( 2 - 7 ) 得出最大识别距离时电磁波的传输损耗= 5 0 d b m 。 ( 2 ) 系统的抗干扰分析 系统的抗干扰性能是极其重要的一个质量因素，尤其是相邻的频点也在使用 的情况下。相对于2 4 5 g h z 和5 8 g h z 的工作频段，9 1 5 m h z 频段面临的干扰情 况更复杂。目前工作在9 0 0 m h z 频段的无线电设备包括r f i d 设备，g s m 无线 电移动通信设备以及用于医疗、工业、科研用途的相关设备( 国际称为i s m 频段) 。 标签会积极响应这些设备中的大功率的微波发射源，故其和它们之间产生的相互 干扰有可能中断或干扰标签与读卡器之间的通讯，这种干扰对识别的准确度和距 离带来极大的影响。另外射频接收机各部分模块的非线性也会使带外的干扰信号 的互调项落入识别频段内，引起接收信号失真。为了降低带外干扰信号以免引起 失真，接收机必须有足够大的二阶互调截止点( 鸠) 和三阶互调截止点( 鹚) 。式 ( 2 - 8 ) 7 l = 1 式( 2 9 ) 表示的是带外干扰信号与鸠、鹚之间的关系。 z = 2 岛一奶 ( 2 8 ) 9 安徽大学硕二 学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 323 珞一2 职 ( 2 9 ) 式中民是带外干扰信号，皿和嵋是接收机输入端的二阶和三阶互调失真 项的功率1 1 1 。它们至少应该比接收机的灵敏度低3 d b ，所以：和，至少应 低于8 7 d b m 。根据相关标准和协议，g s m 9 0 0 的手机发射最大功率达到3 3 d b m ， 基站发射功率约为4 3 d b m ( 距离比较远) ，但一般手机功率只有几百毫瓦，这里设 定干扰源为3 0 d b m 。规定读卡器与干扰源最小距离为0 6 m ，根据式( 2 7 ) 计算出 在最小识别距离是0 6 m = 3 0 - 2 8 = 2 时的传播损耗= 2 8d b m ，那么带外干 扰信号p t = 3 0 - 2 8 = 2 d b m 。前置预选择滤波器对干扰信号有3 5 d b m 的衰减， 那么由式( 2 一l o ) 和式( 2 - 1 1 ) 可以得出读卡器必和幽的参数： l i p 2 2 x ( 2 - 3 5 ) 一( 8 7 ) = 2 1 d b m( 2 - 1 0 ) 上嵋 【3 ( 2 3 5 ) - ( - 8 7 ) 2 = 6 d b m ( 2 11 ) 接收机中模数转换( a d ) 需要解调出的信号满足一定的门限电压，一般要求 电压的峰值达到1 v 左右，这就要求i q 解调电路的每条支路电压峰值至少需要 不低于0 5 v 。对于5 0 欧姆的输出阻抗，模数转换器的输入功率： 厶= l 。l g 1 0 0 0 x ( r 0 5 q r 三) 2 4 d b m ( 2 - 1 2 ) 接收机的灵敏度是一8 4 d b m ，这就要求整个接收机至少要有g 眦= 8 8 d b 的增 益。这8 8 d b 的增益要合理的分配在接收机的各个模块中。另一方面，肥应比 接收机的信号最大输入功率大1 0 d b 左右，那么接收机所允许的接收的最大功率 是1 6 d b m 。 2 2s a w 标签分析 s a w 标签主要包括压电基片、i d t 、反射栅和标签天线。与i d t 连接的标 签天线接收到发射机传输的询问脉冲信号，然后将其传输至i d t ，i d t 将其进行 电声转换，产生声表面波沿着压电基片向前传输到一片紧密排列的反射栅，不 同排列的反射栅意味着不同的编码。声表面波被不同排列的反射栅反射后便得到 不同编码的回波信号，回波信号返回至i d t 后，i d t 将其进行声电转换，产生 携带编码信息的电磁波，再由标签天线反射给读卡器，从而使读卡器得到标签的 1 0 第二章s a wr f i d 的工作原理 编码信息，进行识别【1 2 ，1 3 , 1 4 1 。 ( 1 ) 压电基片 不同材料的压电基片对声表面波的传输速率有不同影响，给信号带来的损耗 也不相同。一些常用的压电材料有胆酸锂、石英和铌酸锂等。这些材料不仅在电 场力作用下，而且在机械力作用下，也能产生极化现象。 正压电效应 ，- - 1 卜- - - - - 卜、 机械能 l ( s ) 陋电介质i q ，( 日 电能 o _ 1 一 ( a )【b ) 图2 2 ( a ) 压电效应( b ) 压电效应的可逆性 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正 负电荷的中心相对移动而产生电的极化，从而使其两个相对表面( 极化面) 上出现 极性相反的束缚电荷q ，且其电位移d 与外应力张量t 成正比： d = p t ( 2 1 3 ) 式中尸是电常数矩阵，当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷 极性随之而变。这种现象称为正压电效应，也简称压电效应，如图2 2 ( a ) 所示。 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的 相对位移而导致电介质产生变形，且其应变力与外电场强度e 成正比： s = 乞e ( 2 - 1 4 ) 式中已是逆电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应。可见，压电材料，能 实现电机和机电能量的相互转换，如图2 2 c o ) 所示。 锂盐类压电和铁电单晶如钽酸锂( l i t a 0 3 ) 、锗酸锂( l i g e 0 3 ) 、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 等材料，已日益在传感器技术中得到广泛应用，其中以l i n b 0 3 为典型代表。 l i n b 0 3 的时间稳定性好，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机 械性能，如介电常数、频率常数、机电耦合系数等均保持不变。另外，它还具有 良好的光电及声光效应，因此在激光和光电等器件方面都有突出作用。不足之处 是质地脆，因此抗机械和热冲击性较差。 ( 2 ) i d t 所谓i d t ，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金 属图案，它的作用是实现电一声和声一电转换。图2 3 是i d t 结构图。 争 安徽大学硕士学位论文：9 1 5 m h zs a w 读卡器射频电路的研究与设计 一以卜_ 一6 卜 图2 3i d t 结构 i d t 是s a w 标签中激发和接收声表面波的关键部分。i d t 的两条指和两个 指间隔组成一对指，当压电基片材料选定后，则其上面声表面波的传播速度k 就 可以确定，这样就可算出标签上中心频率是石时的波长五，有力= k t o ，其中k 为声表面波的传播速度。i d t 结构为均匀排列，则得到名= 2 a + 2 b = 4 a ，从而得 到口= 6 = 圪。当外加信号的频率五满足上式时，这一频率成为i d t 的中心 频率。 当选择l i n b 0 3 作为压电基片材料时，s a w 的传播速度k = 3 8 6 9 m s 。读卡器 工作中心频率是9 1 5 m h z ，可计算出指宽a = 6 = 3 8 6 9 9 1 5 0 0 0 0 0 0 = 1 0 6 m 。 ( 3 ) 反射栅 s a w 标签中的反射栅阵列是和条形码类似的编码装置，如图2 1 中所示。 采用等间距的反射栅，其栅的宽度应为2 4 ，同叉指换能器的指宽a 相同，也是 1 0 6 比m 。实现不同标签的编码是通过改变标签上的反射栅阵列来实现的，通常 构成反射栅阵列的方法有四种： 在压电基片上刻蚀沟槽形成阵列。 用离子参杂形成反射阵列。 用金属点阵作为反射阵列。 使用金属栅条作为反射阵列。 虽然采用的物理手段不同，但实际上都是利用声表面波在传播过程中遇到阻 抗的不连续导致形成的反射【1 5 ，1 6 1 。 1 2 丁j矿i上 第明章s a w 读卡器中芯片的选择与分析 第三章s a wr f i d 系统的设计与仿真 3 1 接收机的建模 目前国际上掀起了研究r f i d 的热潮，尤其超高频段( u h f ) 是国际上最先进 的自动识别技术，它识别距离远，识别速度快，使用寿命长，而相对于微波频段 其开发成本又较低，