1 引言

無線射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）是結合了無線電、芯片設計以及計算機等多學科的新技術，尤其近年來超高頻（UHF）的標準ISO18000-6C的制訂及其系統的開發，使得RFID應用前景更為廣闊。通常一套UHF RFID系統包括標簽，讀寫器，天線和后臺控制器等=，見圖1，其中讀寫器是設計難度大，很重要的部件之一。標簽和讀寫器間的通信是采用反向散射原理將標簽的數據傳輸到讀寫器，這樣就需要讀寫器發射載波信號攜帶回標簽的數據=，這樣的工作方式就存在接收標簽信號的同時，發射鏈路一直在發射載波信號。如果收發鏈路隔離差，就會存在發射鏈路的載波信號泄漏到接收鏈路過強導致接收鏈路飽和，線性惡化和發射載波信號的相位噪聲影響接收信號解調而無法識別標簽數據。

傳統的讀寫器設計采用收發天線分離，增加收發信號的隔離度，避免發射載波信號泄漏過強，但該種讀寫器的體積比較大，成本高，需要多天線，安裝麻煩。本文采用零中頻方案，通過仿真分析收發單天線讀寫器的射頻模塊指標設計，克服收發單天線讀寫器比收發雙天線隔離度差的問題，制定出合理的發射載波信號的相位噪聲指標和接收鏈路噪聲系數及P1dB壓縮點指標，從而設計出UHF頻段（902MHz-928MHz）高集成度的2組收發單天線讀寫器射頻模塊，其輸出功率能達到1W，讀標簽的距離可以達到5米以上。

圖1 RFID系統組成框圖

2 仿真及分析

本文采用零中頻方案，如圖2所示的兩組收發單天線射頻模塊設計框圖。為比較分析，給出圖3所示的兩組收發雙天線射頻模塊框圖。

圖2 兩組收發單天線射頻模塊框圖

圖3 兩組收發雙天線射頻模塊框圖

本文仿真分析收發單天線的難點即發射天線回波信號（載波）的強度及其相位噪聲對接收機接收標簽應答信號的影響，根據分析結果來確定發射載波相位噪聲，接收機輸入噪聲系數以及輸入P1dB壓縮點這三個重要的射頻模塊指標。設定讀寫器需要讀到5m以外的標簽，發射輸出信號功率1W，標簽反射50%的輸入信號［5］，一般標簽正常工作需要50uW（-13dBm）的接收功率，根據上述條件以及自由空間電磁波傳輸模型公式［5］可以計算出讀寫器接收到的標簽應答信號功率P（TR），標簽接收到讀寫器的信號功率P（RT），假設標簽偶極子天線增益1.64， 發射天線增益6dBi， 工作頻率為915.25MHz.

P （RT） =30dBm+6dB+10log （1.64）+20log （3/9.1525）-20log （4*3.14*5）

=-7.5dBm》-13dBm

P（TR）=10log（P（RT）*0.5）-（30+7.5）dB

=-48.0dBm

假設天線回波損耗-15dB，則天線反射回接收鏈路的發射載波信號功率P（CW），

P （CW） =30dBm-15dB=15.0dBm

設定低噪放前的器件（開關，定向耦合器，濾波器）損耗為5.5dB， 另外一般PR-ASK信號（250KHz， Tari=25us， X=0.5）的解調需要10dB信噪比。

根據上述分析及假設，在Agilent ADS2008中建立如圖2接收鏈路分析模型，天線口輸入-51.5dBm（考慮邊帶有用信號僅為P（TR）的50%， 靈敏度小于有用信號），中心頻率915.50MHz的PR-ASK信號（250KHz，Tari=25us，X=0.5標簽應答信號）疊加功率為15.0dBm，中心頻率為915.25MHz的單音信號（包含相位噪聲），該信號的建立符合ISO18000-6C（FCC）規范［1］。通過仿真分析確定接收機的輸入P1dB壓縮點需要17.1dBm左右; 輸入噪聲系數可以很大，小于40dB即無影響; 發射載波信號的相位噪聲要小于-128.5dBc/Hz（偏移250KHz）， 該指標的設計有較大難度，但對收發單天線性能非常重要，可以通過改善天線駐波和增益來減輕該指標的設計，另外因為噪聲系數要求低，輸入P1dB壓縮點要求高，本文通過在低噪放前加入衰減器來減輕對低噪放壓縮點的要求。

根據上述分析可見收發單天線方案因為其隔離度只有15dB導致其發射信號相位噪聲和接收鏈路P1dB壓縮點指標要求很高。而收發雙天線方案的隔離一般能達到40dB， 因此其發射信號相位噪聲和接收鏈路P1dB壓縮點指標的設計較容易，但其成本高，復雜。

3 測試結果

按照上述仿真分析結果，本文采用零中頻方案，設計出高集成度收發單天線的UHF 頻段的RFID讀寫器射頻模塊，其實物如圖4所示，尺寸：長×寬×高=53.5mm×51.5mm×6mm。

圖4 兩根收發單天線射頻模塊實物圖

本文實際在天線口加耦合器測量調制模式為DSB-ASK （400KHz，Tari=6.25us， X=0.5）和PR-ASK （250KHz， Tari=25us，X=0.5）兩種情況下輸出信號功率和信號頻譜及其模板。兩種情況下的輸出功率都達到1W，其中調制模式為DSB-ASK的發射信號輸出頻譜見圖5（包含載波信號），其疊加標簽應答信號頻譜如圖6；另外調制模式為PR-ASK的發射信號輸出頻譜見圖7（包含載波信號），其疊加標簽應答信號頻譜如圖8。從測試結果來看DSB-ASK信號完全滿足ISO18000-6C的密集讀寫器情況下的頻譜模板（第一鄰道和主信道功率比小于-30dBc; 第二鄰道和主信道功率比小于-60dBc；第三鄰道和主信道功率比小于-65dBc）。但PR-ASK信號在第二鄰道差5dB，經查證和輸入基帶信號差相關。

圖5 DSB-ASK發射輸出信號頻譜

（頻率：915.25MHz;400KHz，Tari=6.25us，X=0.5）

圖6 DSB-ASK發射輸出信號疊加標簽應答信號頻譜（黃色）；發射輸出信號頻譜（藍色）

（頻率：915.25MHz;400KHz，Tari=6.25us，X=0.5）

圖7 PR-ASK發射輸出信號頻譜

（頻率：915.25MHz;250KHz，Tari=25us，X=0.5）

另外，本文還進行了讀寫器讀標簽試驗，采用6dBi的天線，測量調制模式為PR-ASK （250KHz， Tari=25us， X=0.5）的讀寫器的讀標簽的能力，其可以讀到距離天線以外5.5m處的標簽。單個標簽距離讀寫器3.8m處的讀標簽速度可達32個/秒。

圖8 PR-ASK發射輸出信號疊加標簽應答信號頻譜（黃色；發射輸出信號頻譜（藍色）

（頻率：915.25MHz;250KHz，Tari=25us，X=0.5）

4 結論

本文按照ISO18000-6C標準的要求采用零中頻方案建立仿真模型來分析UHF頻（902MHz-928MHz）RFID讀寫器在收發單天線條件下射頻模塊的設計，給出了發射載波相位噪聲，接收機輸入噪聲系數以及輸入P1dB壓縮點這三個重要的射頻模塊指標的分析結果，最后根據分析結果實現該高集成度的射頻模塊的實物，長*寬*高尺寸僅53.5mm*51.5mm*6mm大小。測試結果顯示信號頻譜模板性能指標達到ISO18000-6C（FCC）的密集型讀寫器的相關要求，實際其讀標簽的距離和速度均達到較高水平。該收發單天線方案射頻模塊的設計極大的縮小了傳統收發雙天線的讀寫器的尺寸及降低了成本。