一種無源超高頻RFID傳感檢測平臺

張丙盛，王 昆，周雄輝

（廣東工業大學信息工程學院，廣東 廣州510006）

無源RFID是一種可應于多參數監測的傳感技術[1]，目前廣泛應用的標簽依賴于標簽的傳感節點和標簽天線特性，有學者利用標簽反射特性提取負載阻抗技術[2]，也有學者利用芯片自我調節能力設計傳感標簽[3]。

但是這些研究中卻很少關注標簽因其復雜的外部環境導致標簽天線失諧問題，考慮到在復雜的實際環境中所帶來的多種環境特性，特別是當標簽天線與復雜環境接觸所產生的影響，標簽需求更多的傳感來表征環境，因此在設計過程中不僅需要多傳感進行多參數監測，同時也需要獲取標簽天線諧振信息。

RFM405 Xerxes符合EPC C1G2協議，內部含有片上溫度傳感、片上電容監控電路等，能夠通過接口獲取外部容值和阻值，具有很好的傳感性能，是一款智能無源傳感IC，適合用于設計無源傳感標簽節點。

1 無源超高頻RFID傳感檢測平臺的總體設計流程

無源超高頻RFID傳感檢測平臺設計流程如圖1所示，本無源傳感檢測平臺由RFM405芯片、標簽天線和閱讀器軟件組成。首先根據RFM405設計出原理圖，在原理圖中將芯片內部的傳感接口接出。其次再根據原理圖設計出對應的PCB，并設計低頻走線，預留一定的空間用于設計標簽天線，避免低頻走線和標簽天線干擾之間的直流干擾。接著將設計的PCB以DXF格式導出并作為標簽天線基礎模型，由于該模型不符合設計要求。因此，需要為此天線基礎模型進行更詳細的設計，同時配置電磁仿真環境，根據參數求出參數最優解，從而確定天線和基板尺寸。然后根據仿真參數的最優解，在PCB上畫上天線并根據最優解的基板尺寸更改PCB尺寸，并進行加工制作和芯片焊接。最后用閱讀器軟件測試實物標簽，并根據測試數據提取標簽啟動功耗和相應的諧振頻率。

圖1 無源超高頻RFID傳感檢測平臺設計流程

2 無源傳感檢測平臺硬件設計

2.1 無源傳感標簽原理圖和PCB設計

RFM405無源傳感標簽原理如圖2所示，ANT-和ANT+作為天線的接口，標簽天線電磁仿真時在這兩個端口之間接入激勵源，為了方便傳感方案的開發將剩余的端口用焊盤方式接出，其中P1口和P2口具備相似的功能，只需要在設計過程中設置不同的寄存器即可，容性傳感器和阻性傳感器雖然接入相同的端口，但是內部指令并不相同。RFM405無源傳感標簽的PCB設計如圖3所示，最終根據天線模型仿真結果確認實際PCB尺寸大小為25 mm×79.4 mm。為了使標簽天線長度可調，將天線末端截成3段使最短部分工作頻段大于928 MHz，中間長度標簽天線正好工作于902～928 MHz，最長的則小于902 MHz。只需要在測試過程中，在開口處用錫紙連接開口處便能使天線長度變化，同時也能改變天線的諧振點和啟動功耗。

圖2 RFM405無源傳感標簽原理圖

圖3 RFM405無源傳感標簽PCB

2.2 標簽天線設計和仿真結果

設計標簽天線首先需要設計激勵方式，之后需建立仿真模型、設計邊界條件、給出電磁仿真參數，最后根據設計需求求出仿真參數最優解。

已知RFM405芯片諧振在915 MHz時的芯片輸入阻抗，為了標簽天線實現共軛匹配則需要為芯片設置激勵端口。

如圖4所示，給出了標簽天線含有開口1（S1）和開口2（S2）的俯視圖。天線模型包含基板、RFID芯片（RFM405）、天線和過孔，其中基板材料采用FR4，為了建模簡易，模型的中心原點與PCB中心原點保持一致，過孔位置則與PCB中位置保持一致，芯片端口和PCB中ANT+和ANT-保持一致，根據商家提供做板時的敷銅厚度，將天線厚度設置為0.035 mm（1OZ），基板厚度為0.8 mm。同時為了縮小天線尺寸，將天線進行多次彎折，并在加粗天線末端使天線有更好的輻射效果。同時為了不讓天線緊挨著基板兩側，天線末端距離x軸保留1.5 mm。標簽天線在俯視圖下具體的尺寸和參數如表1所示。

表1 天線結構參數值（單位：mm）

圖4 標簽天線俯視圖

建立天線模型后，開始對模型設置邊界條件。首先將標簽天線的邊界條件設計為perfect E，過孔內壁和上下兩面也設置為perfect E，再設置用于模擬RFM405輸入阻抗的激勵端口，最后給出大于1/2λ波長的空氣盒，至此邊界條件設置完畢。

根據表1仿真參數進行電磁仿真求解，最終確定了最優仿真參數結果，也確定了兩個開口的位置和大小，其中天線末端Sub1=2.5 mm處開了一個1×3 mm的開口（S1），在末端Sub2=6.2 mm處有一個1×3 mm的開口（S2）。

為了使天線具有調諧能力，因此將S1以y軸對稱閉合從而使天線末端增長至Sub2，再次將S1和S2也已y軸對稱閉合從而使天線末端長增至Sub3，這樣設計不僅可以使標簽天線處于不同長度，同時也考慮未連接部分對天線的影響。在實際操作中，采用錫紙連接。

2.3 軟件模塊

閱讀器設備采用為impinj公司生產的閱讀器，其型號為R420-USA2M，同時impinj公司也提供名為MultiReader的閱讀器軟件來驅動閱讀器設備，閱讀器設備包含閱讀器和閱讀器天線。如圖5所示，為了測量標簽的啟動功耗和諧振頻率，閱讀器軟件MultiReader首先需要將閱讀模式設置為Margin Test模式，并且在該模式下根據需求設置閱讀器發射功耗的初始值和終止值，一般初始值為10 dBm，終止值為30 dBm，步長采用最小為0.25 dBm；接著為閱讀器軟件設置數據捕捉，通過數據捕捉可以獲取標簽的各種返回值，其中最重要的返回值為標簽啟動功率和對應的諧振頻率；最后布置測試環境，拿到測試結果，根據測試結果提取標簽啟動功率和對應的諧振頻率。

圖5 閱讀器設置和測試

3 測試結果和分析

標簽實物如圖6所示，標簽接口均已裸銅的形式接出便于傳感測量，測量容性和阻性的接口均為P1.1～P1.4這四個相同接口，標簽天線末端存在對稱的兩個開口S1和S2。使用錫紙連接S1可使S1閉合從而增長天線末端長度，再使用錫紙連接S2可使S2閉合從而使天線末端達到最長，從而方便調諧。

圖6 實物展示

在測試標簽之前為了排除變量干擾和保證數據有效性，需要對標簽的測試環境進行控制變量。如圖7所示，用支撐物支撐測試標簽置于閱讀器天線正前方25 cm，距離垂直線10 cm，閱讀器設備位于測試標簽右側且閱讀器天線位置不變，這樣測試使得外界環境因素保持一致，測試變量只有標簽。標簽未配置電池，因此標簽需要吸收來自閱讀器天線發射的信號和能量。

圖7 標簽測試環境

當S1和S2打開時，標簽的測量結果如圖8所示，從圖8可知標簽諧振在903.25 MHz時啟動功耗最小，頻率偏離諧振點啟動功耗增大，偏離越遠則啟動功耗越大。實際做板過程中頂層和底層出現了阻焊層影響了標簽天線的性能，從而拉低了諧振頻率。為了使天線諧振在915 MHz附近，通過割斷天線使天線變短從而諧振點向上偏移處于中心頻率點，同時也可以連接S1和S2使諧振頻率向下偏移。

圖8 標簽測試結果

4 總結

通過原理圖、PCB和天線模型設計和電磁參數仿真得到仿真最優結果，之后再通過實驗裝置測試標簽性能，驗證了仿真結果。因此基于RFM405的無源傳感檢測平臺具備了標簽與閱讀器設備通信能力，在FCC頻段也具有較好的工作性能，可通過改變天線長度達到手動調諧，同時預留的傳感接口可實現多參數監測。