一種應(yīng)用于射頻識別閱讀器的微帶移相電路設(shè)計*

2012-08-09 08:07李秀平王善進

電子器件 2012年2期

張莉，陳瓊，李秀平，王善進*

(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)

射頻識別技術(shù)(RFID)是一項利用電磁波通過空間耦合進行無接觸信息傳遞，從而實現(xiàn)目標識別的技術(shù)。閱讀器、天線和電子標簽是構(gòu)成射頻識別系統(tǒng)的三個主要部分，一個更為完整且實用的RFID系統(tǒng)還必須包括計算機、接口電纜、應(yīng)用軟件等，甚至包括通過internet 相連的多個RFID 系統(tǒng)。RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)信息非接觸傳輸特點，使之特別適合物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合。

RFID 系統(tǒng)閱讀器的電路一般由射頻信號發(fā)射、射頻信號接收、天線以及基帶數(shù)字信號處理等幾部分組成，信號的工作頻率為915 MHz，也可以采用國際通用的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優(yōu)先原則，工作時先由閱讀器發(fā)出一系列的讀標簽指令，當電子標簽被閱讀器天線發(fā)出的電磁場激活后，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)通過反向散射的調(diào)制方式回發(fā)給閱讀器，閱讀器經(jīng)過分析處理若能得到正確的標簽ID 信息，便完成了目標的識別。

電子標簽返回信號的有效接收和準確解調(diào)是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵步驟之一。鑒于超外差接收機電路在設(shè)計復(fù)雜度和成本等因素上的考慮，RFID 閱讀器在選擇接收機電路時往往采用零中頻接收機方案。該方案的優(yōu)勢在于成本低廉，電路結(jié)構(gòu)相對簡單，四通道接收電路是常用的一種形式。信號移相電路是其中的一個重要組成部分，它的功能是通過改變射頻信號的相位，達到信號的多路分離，然后將這些相位不同的信號送往其它的電路單元進行解調(diào)處理分析，從而得到標簽的信息，其中相位改變的精確度將直接影響到信號的準確解調(diào)。改變信號的相位需要利用移相電路，它可采用分立元件電感、電容實現(xiàn)，也可利用微帶線來實現(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、電容來設(shè)計移相電路是常用的方案。但隨著信號頻率的不斷攀升，器件分布參數(shù)的影響將愈加顯著，此時采用微帶線理論來設(shè)計移相電路便成為了必需［1，3－4］。本文設(shè)計了915 MHz 射頻識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)各參量對移相性能的影響，最后通過實際電路檢驗了設(shè)計效果。測試表明，本電路能完全滿足系統(tǒng)的指標要求，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設(shè)計而成，見圖2所示。為簡單起見，假設(shè)微帶線等間距S 排列，且通過A點的射頻本振信號是:

圖1 四通道零中頻接收電路

圖2 微帶移相電路

該信號經(jīng)過微帶線依次達到B、C和D點，如果圖中每相鄰兩點之間的電長度使該信號順序產(chǎn)生ψ 的相位差。這樣射頻本振信號到達B、C和D點時，將分別為

而標簽返回的信號首先經(jīng)過電路中的D點，它可描述為

該信號經(jīng)過三級移相，在C、B、A點分別形成信號如下:

在電路的A、B、C和D 各點，輸入混頻電路的信號除了射頻本振信號外，還有標簽返回的信號。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

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

1.2 微帶線移相電路的設(shè)計

設(shè)微帶線的寬度為W，介質(zhì)基板的厚度為h，相對介電常數(shù)為εr，底板為金屬接地板?？紤]到微帶處在非均勻的介質(zhì)當中，可假設(shè)存在一種相對介電常數(shù)為εeff的均勻介質(zhì)，用以替代原來微帶線周圍的空氣(相對介電常數(shù)為1)和介質(zhì)基板(相對介電常數(shù)為εr)，同時能保持微帶線的特征阻抗不變。

當微帶線厚度t 遠小于介質(zhì)基板厚度h 時，如果w/h ＜1，該等效相對介電常數(shù)εeff可表達為［1，3，5－6］

相應(yīng)的微帶線特征阻抗表為:

式中η0=120π，為自由空間波阻抗。

如果w/h ＞1，則等效相對介電常數(shù)εeff可表達為

相應(yīng)的微帶線特征阻抗為

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

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 來進行進一步的分析［2］。圖3為實現(xiàn)90°相位移動的微帶移相電路的HFSS模型圖，分析得到保持微帶線總長度不變，通過改變介質(zhì)基板的厚度h 的電路散射參數(shù)S21的變化曲線，如圖4所示。

圖3 微帶移相電路模型

圖4 介質(zhì)厚度h 對S21的影響

信號頻率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)基板相對介電常數(shù)εr=4.6。從圖中可見，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)計時，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，曲線顯示微帶線金屬導(dǎo)帶厚度t 在17μm～27.5μm范圍的變化對散射參數(shù)S21的影響不大，說明一般情況下可不計微帶線厚度對電路性能的影響。

圖5 金屬導(dǎo)帶厚度t 對S21的影響

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

圖6 相對介電常數(shù)εr對S21的影響

圖7 顯示，當微帶線間距S(參見圖4)由1 mm增加到2 mm 時，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，同時其變化量比前者更劇烈，達到1.2 dB。這些現(xiàn)象說明了兩個問題，一是工作頻率越高，微帶線的間距就必須設(shè)計的更寬，才能保證信號的順利通過;二是不管頻率高低，一旦間距大于某個數(shù)值后，這種影響將可忽略不計。

圖8 微帶間距S 對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。仿真建模取值與圖4 相同。從圖9 可見，介質(zhì)基板厚度對相移的影響是明顯的，當介質(zhì)厚度增加時，相位的改變量將變小，約在h=0.83 mm 時，取得了90°的相移。

圖9 介質(zhì)厚度h 對相移的影響

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

圖10 相對介電常數(shù)εr對相移的影響

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

圖11 微帶線金屬導(dǎo)帶厚度t 對相移的影響

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

圖12 微帶線間距S 對相移的影響

2 應(yīng)用實例

如圖13所示為根據(jù)上述分析設(shè)計的一款工作于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信號進行相位改變，工作性能良好。

圖13 RFID 閱讀器中的微帶移相電路

3 結(jié)語

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結(jié)構(gòu)，再依據(jù)信號的頻率和所需的相移，便可得到合適的微帶線長度，從而設(shè)計出微帶移相電路。然而從上面的討論可知，實際上微帶線電路的傳輸系數(shù)和相移受到電路眾多參數(shù)的影響，所以在設(shè)計微帶線移相電路時，首先可根據(jù)信號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寬度，兼顧金屬導(dǎo)帶的具體厚度，確定產(chǎn)生目標相移的微帶線長度，最后借助HFSS 進行電路仿真，反復(fù)優(yōu)化S21及相位指標，最后完成設(shè)計。

［1］Hong Jiasheng，Lancaster M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications［M］.New York:John Wiley ＆ Sons，INC.2001.

［2］李明洋.HFSS 電磁仿真設(shè)計應(yīng)用詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設(shè)計－理論與應(yīng)用［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［4］李緝熙.王志功，譯.射頻電路與芯片設(shè)計要點［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［5］Ulrich L Rohde，David P Newkirk.無線應(yīng)用射頻微波電路設(shè)計［M］.劉光祜，張玉興，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2004.