4天線超高頻RFID讀寫器核心模塊設計

張亞軍，陶 怡，胡建晨（西安航天自動化股份有限公司，陜西　西安 710065）

4天線超高頻RFID讀寫器核心模塊設計

張亞軍，陶 怡，胡建晨
（西安航天自動化股份有限公司，陜西西安 710065）

為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標簽時不受標簽方位的影響，本文基于Impinj R2000讀寫器芯片，使用RFMD公司生產的RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件設計。該模塊符合ISO18000-6C等物聯網相關主流標準，工作頻率范圍為860 MHz～960 MHz可調，各天線輸出端輸出功率大于30 dBm，可實現遠距離讀寫標簽。通過專用測試工具對模塊內部寄存器進行相關設置后，可以實現4天線的讀、寫操作功能。最后，通過信號分析儀對各天線端在不同功率需求下進行了現場測試，同時在應用現場進行了實際應用。結果表明：4個天線端功率輸出功率高，輻射范圍大，讀取標簽距離遠，能滿足實際需求，具有很好的市場前景。

超高頻射頻識別；讀寫器模塊；R2000；4天線；RF1604DS

0　引言

射頻識別技術（RFID）是一種利用無線射頻技術在讀寫器和標簽之間進行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換目的的自動識別技術［1］。近年來，超高頻射頻識別技術（UHF）發展迅速，在國內，UHF RFID的實際應用已涉及多個方面［2-3］。目前，已有一大部分企業自主研發出UHF讀寫器，如西安航天自動化股份有限公司、深圳遠望谷、深圳拙進等公司。

傳統RFID讀寫器僅限于單通道或2通道讀取標簽，這使得RFID讀寫器群讀能力、輻射范圍、讀寫方位等受限。因此，本文設計出4天線RFID讀寫器核心模塊，目的是提高 RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍，讀取標簽時不受標簽方位的影響，實現瞬間內讀取多張標簽，提高讀取標簽數量，以保證識別率，使用戶在較少設備下實現高性能的讀取效果，為用戶節省應用成本。

本文使用Impinj R2000讀寫器芯片完成標簽的讀、寫操作。為了提高射頻信號的功率，外部使用了功率放大器以增加射頻信號的發射功率。為了實現4天線射頻信號的輸入、輸出，采用了RFMD公司生產的RF1604芯片作為射頻開關。最后，根據現場需要，通過信號分析儀對各個天線在不同功率設置下進行了現場測試。測試結果表明：4個天線端功率輸出均能滿足現場需求，性能良好，符合設計要求。

1　RFID系統概述

典型的射頻識別系統一般由 RFID標簽、RFID讀寫器、外置天線、應用軟件系統及執行機構等部分組成。其工作原理如圖1所示。

圖1　RFID系統工作原理

RFID系統的基本工作原理是［1-2］：RFID讀寫器可以通過外置天線發射出某一特定頻段的射頻信號；當攜帶載體信息的RFID標簽進入到讀寫器的讀寫區域時，在RFID標簽內會耦合產生感應電流，進而將 RFID標簽激活，從而使得RFID標簽攜帶的載體信息通過其內置天線發射出去；當RFID天線接收到此信號時，將此信號傳送到RFID讀寫器進行解碼操作，完成了標簽的讀操作；RFID讀寫器可將解碼后得到的信息傳送到后臺應用軟件系統進行識別，進而可以控制相關執行機構的動作，以達到自動識別、自動執行的目的。

2　讀寫器核心模塊設計

2.1讀寫器模塊架構

4天線讀寫器模塊架構主要由以下模塊組成［4-5］：Impinj R2000讀寫器芯片；主控單元 ARM；功率放大器；射頻耦合器；4天線選擇網絡RF1604；各通信接口。具體如圖2所示。

圖2　讀寫器模塊架構

2.2RF1604簡介

RF1604是 RFMD公司推出的新型單極四投（SP4T）開關，專為要求極低插入損耗、高功率處理能力和最低直流耗能的開關應用設計。

RF1604采用非常小巧的 2.5 mm×2.5 mm、12引腳且無鉛的QFN封裝。其工作電壓為2.2 V～2.7 V，推薦工作電壓為2.5 V。在0.5 GHz～1.0 GHz時，RF1、RF2、RF3、RF4的插入損耗為 0.4 dB～0.55 dB，最大控制功率為+36 dBm。

RF1604封裝圖如圖3所示。

各引腳功能如表1所示。

4天線選擇控制信號真值表如表2所示。

圖3　RF1604封裝圖

表1　RF1604各引腳功能

表2　RF1604控制信號真值表

2.3射頻輸出硬件電路設計

硬件電路設計如圖 4所示，在射頻開關 RF1604的射頻信號輸入、輸出端進行了阻抗匹配設計，在產品調試時可通過信號分析儀測得的射頻功率信號，通過調節線路上的阻容元件以實現輸入、輸出的阻抗匹配操作，保證信號在傳輸過程中能夠實現最大功率傳輸。

圖4　RF1604外圍硬件設計

2.4射頻輸出PCB設計

射頻信號在傳輸過程中，對PCB板的設計提出了更好的要求。如果設計不當，工作時會使電路板內的電源電壓和地電平產生波動，導致信號波形產生尖峰過沖、衰減震蕩、反射、串擾等問題，嚴重影響產品的穩定性和功能［6］。

因此，為了減小射頻信號傳輸線路上的回波損耗及消除串擾，在設計PCB時，從布局、布線兩個方面進行設計考慮。

另外，在布線時，采用了3W規則法。

2.5基于ADS的系統仿真分析

在設計時采用ADS軟件進行阻抗匹配分析，使得輸出獲得最大的功率信號，提高產品的設計成功率，如圖5所示。

圖5　射頻開關與天線輸出之間的阻抗匹配Smith圓圖

由圖5的 Smith圓圖可以看出，射頻開關與各天線輸出之間的線路阻抗匹配，滿足設計要求。

3　四天線工作軟件部分設置

4天線 UHF RFID讀寫器核心模塊設計完成后，軟件部分設置前向功率、反向功率，其校準曲線如圖6所示。

圖6　讀寫器模塊功率校準曲線

4　性能測試

RFID超高頻中國頻段為：920 MHz～925 MHz，根據實際現場需要，使用專用測試工具分別對1～4號天線的輸出功率、頻率設置為30 dbm、922.5 MHz。

為驗證4天線RFID讀寫器模塊的輸出功率，采用信號分析儀進行了現場測試，如圖7所示。

圖7　1～4號天線輸出端頻譜圖

由圖7可以看出，4天線RFID讀寫器1～4號天線的輸出功率性能良好，輸出功率均能滿足設計要求。

采用矢量網絡分析儀測得超高頻RFID讀寫器模塊4個天線輸出端的Smith圓圖如圖8所示。

圖8　4天線輸出端的Smith圓圖

通過圖8可以看出，4天線RFID讀寫器4個天線輸出端在工作頻率為922 MHz時，其阻抗匹配接近 50 Ω，符合設計要求。

另外，根據現場需求，對15 m以外的標簽進行了批量讀取，通過專用測試工具可以得到RFID讀寫器讀到的標簽類型及標簽數量，如圖9所示。

圖9　現場測試讀取標簽

5　結論

為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標簽時不受標簽方位的影響，本文基于 Impinj R2000讀寫器芯片，使用 RFMD公司生產的 RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件電路原理圖與PCB的設計。同時，對4天線工作時的軟件部分相關寄存器的設置進行了分析，最后通過信號分析儀對天線端在不同功率需求下進行了現場測試，測試結果表明：4天線UHF RFID讀寫器核心模塊具有良好的性能、輸出功率均能滿足現場需求，符合設計要求，具有很好的市場前景。

［1］周曉光，王曉華.射頻識別（RFID）技術原理與應用實例［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］ZELLER K F.射頻識別技術（第三版）［M］.吳曉峰，陳大才，譯.北京：電子工業出版社，2006.

［3］INC E P C.EPC radio-frequency identity protocols class-1Generat ion-2 UH F RFID protocol for communications at 860 MHz～960 MHz［S］.2004.

［4］章小城，向偉，徐丹.基于 Intel R1000芯片的超高頻手持式讀寫器設計［J］.計算機與數字工程，2008，36（9）：198-200.

［5］黃志敏，李鵬，高遠.基于 Intel R1000的超高頻 RFID讀寫器設計［J］.現代電子技術，2009，6（16）：57-60.

［6］黃會雄，袁海鷹.射頻電路 PCB板電磁兼容設計方法與技巧［J］.產品測試與解決方案，2009，6（16）：57-60.

Design of 4 antennas UHF RFID reader module

Zhang Yajun，Tao Yi，Hu Jianchen
（Xi′an Aerospace Automation Co.，Ltd.，Xi′an 710065，China）

To increase the group reading ability，reading rate and radiation range of RFID reader，and also decrease effects of label orientation during the label reading process，based on Impinj R2000 chip，this paper introduced the hardware design of a 4 selectable antennas reader module realized using RF1604DS chip of RFMD company.This module conforms to the main protocol such as ISO1800-6C and so on.The operating frequency range is 860 MHz～960 MHz and it is adjustable.Output power of each antenna is over 30 dBm.It can achieve long distance label reading and writing.Through setup of internal register in the module using specialized testing equipment，4 antennas reading and writing operation can be achieved.Field testing is done through signal analyzer of antennas′different power demands，and practical application is introduced at the same time.The results show that the reader module with 4 antennas have higher output power，larger radiation range，longer label reading distance，and it can satisfy the practical applications，have good market prospects.

UHF RFID；reader module；R2000；4 antennas；RF1604DS

TN830

A

1674-7720（2015）05-0026-04

（2014-11-07）

張亞軍（1982-），通信作者，男，碩士，硬件工程師，主要研究方向：自動化控制與物聯網技術，E-mail：abc123_213@ qq.com。

陶怡（1986-），男，碩士，軟件工程師，主要研究方向：物聯網、軟件工程。

胡建晨（1989-），男，碩士，主要研究方向：集成電路、控制理論。