一種RFID閱讀器前端載波抑制方法

晏龍波

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 611731）

近年來RFID發展迅猛，特別是UHF RFID發展很快，在我國應用也越來越廣，例如停車場收費，安防，智能交通，移動支付等領域。常規的無源反向散射式的RFID系統[1]，主要是由RFID閱讀器和無源標簽組成。標簽僅僅靠接收到或者感應到的電磁能量工作，同時利用調節天線或線圈負載特性[2]的方法產生信號，并向閱讀器回傳信息[3]。但是由于標簽天線尺寸的限制，使得閱讀器射頻前端接收到的標簽反射信號非常微弱[4]。另一方面，由于閱讀器在接收時，還要不斷地發射連續載波以提供能量給標簽，這樣在接收的同時就會由于嚴重的載波泄露，導致射頻接收前端的LNA或者帶有增益的下混頻器的前端飽和，從而嚴重惡化接收信噪比，導致閱讀器識別距離下降和解調誤碼率增加，使整個閱讀器性能急劇下降。

為了解決這種載波泄露的問題，文獻[5]采用了定向耦合器和載波抑制相結合的辦法，獲得了45 dB的載波抑制的效果。但是這種方法只能抑制相位和幅度穩定的載波泄露信號，對于由于環境改變導致的反射干擾信號就不能抑制。

文獻[6]采用了數字控制技術的自適應抵消環路，雖然能抑制背景反射干擾，獲得了42 dB的載波抑制效果，但并沒有完全抑制載波泄露的主要源頭。所以其抑制效果并不太理想。

文中提出了比較徹底的解決辦法：一般的解決方案只是解決了一個或者兩個載波泄露的問題，要解決所有的載波泄露至少需要三路抵消，并且對于因為阻抗不匹配造成的反射，抵消不能達到最終目的（因為反射越大，發射的有效功率就越小，標簽得到的能量就越小），還應該考慮到自動阻抗匹配的問題。在結構中，采用了閉環反饋調節，以達到更徹底的載波抑制效果。

1 工作原理

載波泄漏主要由3部分組成：

1）由于接放大器輸出端的定向耦合器隔離度度不夠，導致相對于標簽反射信號大得多的載波泄露到接收端。

2）由于天線與閱讀器射頻前端阻抗不匹配，造成反射的載波直接進入到接收端。

3）由于環境變化，特別是在天線前面有很多障礙物時，導致障礙物反射的載波直接被天線接收，與有用信號疊加在一起。

為了解決以上分析的載波泄露問題，文中設計了如下的載波抵消電路：

閱讀器射頻前端載波抵消電路原理框圖如圖1所示。

原理圖說明：

圖1 載波抵消電路原理框架圖Fig.1 The framework of carrier cancellation circuit diagram

射頻收發前端由發射鏈路和接收鏈路組成，在一個閱讀器指令操作周期開始后，閱讀器在發射完指令后，持續地發送連續載波以提供能量給標簽。此時在接收端將會至少有定向耦合器的泄露載波、天線不匹配引起的反射載波、環境產生的反射載波、標簽返回有用信號這4種信號。本電路采用ADI公司的AD8302，該芯片能同時檢測從低頻到2.7 GHz的2個信號的相位和幅度差。其幅度測量范圍可達60 dB，相位測量范圍可達180度。當從定向耦合器載波輸出的耦合端獲得3路載波信號，用AD8302檢測其中3路與接收端返回的信號相位和幅度差，其輸出信號進入單片機的AD口，單片機獲取相位和幅度差以后通過DA口分別控制3路上的可調衰減電阻和可調移相器，改變其幅度和相位，使得其幅度相位分別與泄露的載波幅度相等和相差180度。

對于3路載波抵消，因為是3路泄露的載波混合起來的矢量信號，因此同時測出3路不通載波的幅度與相位差是極其困難的，但是發現：

1）由于定向耦合器隔離度不夠，產生的泄露，其泄露的載波相位變化（與所采用的定向耦合器有關）是基本固定的，其幅度也基本可以依據定向耦合器的隔離度與PA發射功率大致確定。

2）由于天線與射頻前端不匹配產生的反射載波，我們也可以大致確定其幅度和相位變化，因為反射的載波相位變化由定向耦合器輸出端至天線的射頻線長度決定，而反射載波的幅度大小則由不匹配程度（駐波系數）決定。

3）最有可能變化的是由于環境產生的反射載波，這部分載波的幅度和相位變化隨著環境改變而不斷變化，因此才需要閉環反饋回路來不斷調節，直到找到一個比較準確的值去抵消該路載波。

反饋調節：由于存在測量誤差或者其他原因，做一次測量并不能完全抵消，因此在抵消后的接收支路上接了一個功率檢測芯片，該芯片將檢測后的值送入單片機，單片機依據這個值判斷抵消效果，如果不明顯，則繼續調節，直至功率檢測芯片檢測出的值很小。

自動阻抗匹配調節有2種方法：

1）在進行載波抵消之前，可以讓閱讀器發送空載波，此時在閱讀器接收端用功率檢測檢測反射功率，單片機根據測得的值粗調節阻抗匹配電路。調節后，再檢測，再調節，直至檢測的功率最小為止。

2）在進行載波抵消時進行自動阻抗匹配調節，但這時因為同時在進行載波抵消，可能在時間開銷上會增加很多。所以MCU的處理能力要滿足RFID協議規定的時間要求。

常見阻抗匹配網絡如圖2所示。

圖2 Π型衰減阻抗匹配網絡Fig.2 Π attenuation impedance matching network

該自動阻抗匹配通過調節電阻或者電容電感值實現阻抗匹配。

常見移相網絡如圖3所示。

圖3 阻容相移網絡Fig.3 Impedance and capacitance phase shift network

2）載波抵消軟件流程

主MCU的處理過程，流程圖如圖4所示。

圖4 載波抵消軟件流程圖Fig.4 Flow chart of carrier cancellation software

從流程圖可以看出，實現載波抵消的關鍵在于反饋調節，而怎樣設計調節的間隔從而快速找到一個合適的值，實現最大程度的載波抑制，才是設計的關鍵。而反饋調節需要滿足RFID通信協議，也需要MCU有足夠的處理能力。當然如果對整個RFID閱讀器性能要求不高，就不用每次對標簽的操作都進行上述操作，可以在MCU的控制程序中設定一定的間隔時間或操作次數后進行。而實際應用環境也不可能變化很快，所以上述方法可以滿足絕大部分應用場合的要求。

2 結 論

筆者針對RFID閱讀器射頻前端的載波泄露，首先完整分析了產生載波泄露的原因，并分析了以前載波抵消方法的不足之處，然后提出了新的載波抵消的辦法—通過3路抵消和閉環反饋回路的辦法。提出的方法是從工程的角度出發，所以很難進行仿真，并且由于實驗條件所限，沒有進行實驗驗證。但從工程上是可以實現的。其中需要注意的是

1）反饋調節的算法，算法是否可以快速收斂，以滿足協議里對于時間等的要求。

2）注意AD8302的輸入是有一個范圍的，所以最好在輸入端加一個衰減器，再進行測量。

[1]黃闖，陳迪，陳翔，等.基于MEMS工藝的異性材料定向天線[J].傳感技術學報，2008，21（3）:533-535.HUANG Chuang，CHEN Di，CHEN Xiang，et al.A metamaterial directional antenna fabricated using MEMS technique[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2008，21（3）:533-535.

[2]趙洪新，洪偉.微型低功耗微波反射調制器的研究[J].微波學報，2001，17（3）:69-76.ZHAO Hong-xin，HONG Wei.The analysis and design of a miniature and low-loss microwave reflection modulator[J].Journal of Microwaves， 2001， 17（3）:69-76.

[3]EPCglobal Inc.EPCTM Class-1 Generation-2 UHF Air interface Standard Version 1.0.9[S].2005

[4]Yen Chih-Chuan，Gutierrez A E，Veeramani D.Radar crosssection analysis of backscattering RFID tags[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2007（6）:279-281.

[5]Kim Wan-Kyu，Lee Moon-Que，Kim Jin-Hyun.A passive circulator for RFID application with high isolation using a directional coupler[C]//Robert Weigel.Proceedings of the 36th European Microwave Conference，Manchester UK，2006:196-199.

[6]趙洪新，顏力，王成國，等.一種用于RFID傳感閱讀器的載波抵消射頻前端方案[J].傳感技術報，2008，21（9）:1546-1550.ZHAO Hong-xin，YAN Li，WANG Cheng-guo，et al.One for RFID sensor readens carrier offset RF front-end program[J].Sensing Technology Report，2008，21（9）：1546-1550.