一種應用于射頻識別閱讀器的微帶移相電路設計*

張 莉 ，陳 瓊 ，李秀平，王善進*

(1.惠州學院電子科學系，廣東 惠州 516007;2.東莞理工學院電子工程學院，廣東 東莞 523808)

射頻識別技術(RFID)是一項利用電磁波通過空間耦合進行無接觸信息傳遞，從而實現目標識別的技術。閱讀器、天線和電子標簽是構成射頻識別系統的三個主要部分，一個更為完整且實用的RFID系統還必須包括計算機、接口電纜、應用軟件等，甚至包括通過internet 相連的多個RFID 系統。RFID技術的數據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據采集和交換的場合。

RFID 系統閱讀器的電路一般由射頻信號發射、射頻信號接收、天線以及基帶數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、科學、醫藥)公用頻段等。系統通信采用閱讀器講話優先原則，工作時先由閱讀器發出一系列的讀標簽指令，當電子標簽被閱讀器天線發出的電磁場激活后，如果能正確解調出接收的指令，則將本身的ID 信息等數據通過反向散射的調制方式回發給閱讀器，閱讀器經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是實現系統功能的關鍵步驟之一。鑒于超外差接收機電路在設計復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。該方案的優勢在于成本低廉，電路結構相對簡單，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。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，也可利用微帶線來實現。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，器件分布參數的影響將愈加顯著，此時采用微帶線理論來設計移相電路便成為了必需［1，3－4］。本文設計了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構各參量對移相性能的影響，最后通過實際電路檢驗了設計效果。測試表明，本電路能完全滿足系統的指標要求，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

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計而成，見圖2所示。為簡單起見，假設微帶線等間距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過電路中的D點，它可描述為

該信號經過三級移相，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計

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

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

相應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εeff可表達為

相應的微帶線特征阻抗為

微帶線厚度t 的增加會使微帶線側面與金屬底板之間的電容效應不容忽略，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。

顯然介質板材的εr及厚度h、金屬導帶的厚度t及寬度w 均可影響到微帶的電氣性能，為此利用高頻結構仿真軟件HFSS 來進行進一步的分析［2］。圖3為實現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，通過改變介質基板的厚度h 的電路散射參數S21的變化曲線，如圖4所示。

圖3 微帶移相電路模型

圖4 介質厚度h 對S21的影響

信號頻率f=915 MHz，微帶金屬導帶寬度w=1.4 mm，金屬導帶厚度t=17.5μm，介質基板相對介電常數εr=4.6。從圖中可見，隨著介質基板的厚度h 從0.6 mm 增加到1.4 mm，微帶移相電路的散射參數S21呈現先上升后下降的規律，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帶厚度t 在17μm～27.5μm范圍的變化對散射參數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 金屬導帶厚度t 對S21的影響

圖6 則反映了介質基板材料的相對介電常數對S21的影響，曲線顯示當εr從4.6 變到10.2 時，產生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，介質基板厚度對相移的影響是明顯的，當介質厚度增加時，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 介質厚度h 對相移的影響

圖10 反映了相移隨介質基板相對介電常數εr的變化趨勢。曲線表明，當介質基板相對介電常數增加時，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 中微帶線金屬導帶厚度t 對S21的影響描述相對應。

圖10 相對介電常數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，會導致相移的減小，這顯然將影響到后面信號的解調。

圖12 微帶線間距S 對相移的影響

2 應用實例

如圖13所示為根據上述分析設計的一款工作于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 結語

給定介質板材特性和厚度，利用式(14)或式(16)將可獲得具有合適特性阻抗的微帶線結構，再依據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和相移受到電路眾多參數的影響，所以在設計微帶線移相電路時，首先可根據信號頻率等要求選取合適的介質基板材料，如Rogers 5880 板材等，然后依據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，兼顧金屬導帶的具體厚度，確定產生目標相移的微帶線長度，最后借助HFSS 進行電路仿真，反復優化S21及相位指標，最后完成設計。

［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 電磁仿真設計應用詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko.射頻電路設計－理論與應用［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.北京:電子工業出版社，2002.

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

［5］Ulrich L Rohde，David P Newkirk.無線應用射頻微波電路設計［M］.劉光祜，張玉興，譯.北京:電子工業出版社，2004.

［6］Inder Bahl，Prakash.微波固態電路設計(第二版)［M］.鄭新，趙玉潔，劉永寧，等譯.北京:電子工業出版社，2006.