CN103020675A - 基于天线自适应调谐技术的超高频rfid读写模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及RFID读写模块，尤其涉及基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，包括：中央处理器、自适应阻抗调谐网络、电源管理电路、连接器、射频接头、晶振Ⅰ、晶振Ⅱ；所述的晶振Ⅰ、连接器与中央处理器连接，中央处理器与自适应阻抗调谐网络连接，自适应阻抗调谐网络与射频接头连接，所述的电源管理电路与连接器、中央处理器、晶振Ⅱ、自适应阻抗调谐网络连接，射频接头与外部天线相连。本发明的有益效果在于：克服由于外界因素导致的天线反射波恶化从而影响到接收灵敏度退化的问题，本读写模块在降低成本的同时有较为稳定的射频特性，多标签处理能力更强，盘点效率更高，且更加适合手持式读写器的应用。

Description

基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块

技术领域

[0001] 本发明涉及RFID读写模块，尤其涉及基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块。

背景技术

超高频RFID读写模块作为RFID的整体解决方案硬件组成中的核心部件，通常由发射机、接收机、环行器（或耦合器）、检波器、以及CPU等部分组成。由于超高频RFID读写器是一个收发同频、同时的设备，不像移动通信手机射频前端的TDD、FDD模式，RFID读写设备是一种自干扰***：除了硬件自身的发射功率与灵敏度指标外，由于天线端的驻波引起的发射功率反射波的大小也直接影响着读写距离的远近，并且进入到接收机中的干扰信号能量越强，接收机的灵敏度越差。这是因为发射机功率遇到天线失配时的反射能量作为一种有害的干扰能量直接馈入到了接收机端，引起了接收机灵敏度的退化，进而降低了读写设备识别标签的实际距离。图1所示，为传统超高频RFID读写模块的射频工作原理图，图中显示读写模块前端发射功率与天线驻波以及收发隔离度、接收灵敏度几者之间的关系。从图中可以看出，发射功率30dB由于天线驻波的存在（17dB的回波损耗对应驻波比1.3），有13dB的反射波通过耦合器馈入到接收机，此外发射波还从耦合器的隔离端也馈入一部分能量进入到接收机；二者叠加形成了对接收机的干扰信号。

因此，要想提升读写模块的性能，要将馈入到接收机的干扰信号能量降至最低。手持式超高频RFID读写器中，天线尺寸比较小，更有甚者，天线内置在机壳中，此时人体、周围的元器件、结构件作为天线的影响因素，会不同程度地影响到实际天线驻波比，读写距离也受影响变得不稳定；在固定式读写器面临多标签盘点时，往往标签会距离天线较近，当标签本身就是抗金属标签时，读写天线的回波也可能由于受到标签自身物理特性的影响而恶化，并导致接收灵敏度变差，漏读概率增加。

总而言之，天线回波会严重影响到读写器自身的工作性能。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于在传统超高频RFID读写模块射频前端架构的基础上，提供一种能够克服传统超高频读写模块射频架构抗天线失配能力差的不足，且能有效减弱天线失配导致的回波损耗能量的天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，包括：中央处理器、自适应阻抗调谐网络、电源管理电路、连接器、射频接头、晶振Ⅰ、晶振Ⅱ；所述的晶振Ⅰ、连接器与中央处理器连接，中央处理器与自适应阻抗调谐网络连接，自适应阻抗调谐网络与射频接头连接，所述的电源管理电路与连接器、中央处理器、晶振Ⅱ、自适应阻抗调谐网络连接，射频接头与外部天线相连。

作为优选，所述自适应阻抗调谐网络包括：射频收发芯片、功率放大器、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络；所述的射频收发芯片与中央处理器、晶振Ⅱ、功率放大器连接，功率放大器与耦合器连接，耦合器与天线调谐匹配网络、检波器连接，检波器与中央处理器连接，天线调谐匹配网络与射频接头、中央处理器连接，电源管理电路为射频收发芯片、功率放大器、天线调谐匹配网络提供电源。

作为优选，中央处理器、射频收发芯片、功率放大器、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络形成封闭实时检测反馈电路。

作为优选，基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块还包括有散热片。

作为优选，天线调谐匹配网络的拓扑网络可为串联、并联甚至多级级联，网络级数越多，自适应阻抗调谐网络可调谐的范围就越宽。

作为优选，自适应阻抗调谐网络与中央处理器的通信接口方式为SPI或I²C。

作为优选，射频接头可以通过射频开关扩展为多个。

作为优选，所述电源管理电路提供3.3~5V电源电压。

本发明的有益效果在于：1、本发明克服了传统读写模块由于外界因素导致的天线反射波恶化从而影响到接收灵敏度退化的问题；2、该读写模块在多标签密集读取场景，克服了由于海量标签自身的物理特性对读写天线造成的影响，其射频特性较为稳定，多标签处理能力更强，盘点效率更高；3、带有自适应调谐网络的读写模块无论在可靠读取距离，多标签盘点时间以及多标签处理能力方面均较传统架构的读写模块有较大改善；4、本发明通过SPI或I2C等通信方式来实现实时检测校准，成本相对较低； 5、该读写模块更加适合手持式读写器的应用。

附图说明

图1是传统超高频RFID读写模块的射频工作原理图；

图2是基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块的结构示意图；

图3是自适应天线调谐匹配网络的电路原理图；

图4是本发明具体实施例所述的天线驻波在smith圆图上的阻抗轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：如图2所示，基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，包括：中央处理器、射频收发芯片、功率放大器、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络、电源管理电路、连接器、射频接头、晶振Ⅰ、晶振Ⅱ；所述的晶振Ⅰ、连接器、射频收发芯片与中央处理器连接，射频收发芯片与晶振Ⅱ、功率放大器连接，功率放大器与耦合器连接，耦合器与天线调谐匹配网络、检波器连接，耦合器还与射频收发芯片连接，检波器与中央处理器连接，天线调谐匹配网络与射频接头、中央处理器连接，射频接头与外部天线相连，电源管理电路为连接器、中央处理器、射频收发芯片、功率放大器、天线调谐匹配网络、晶振Ⅱ提供电源；超高频RFID读写模块工作时功率放大器的输出功率经过耦合器并经由天线调谐匹配网络最终到达外部天线，由于天线驻波的客观存在，发送功率的部分能量由于失配以反射波的形式反馈到耦合器的耦合端，并通过检波器将射频信号变换为直流电压信号并送至中央处理器进行A/D采样处理，当驻波比超过驻波门限时，中央处理器通过SPI接口控制天线调谐匹配网络中的可调元件，修正驻波比，一直到合适的门限值。

从图2中可以看出，基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块还包括有散热片，散热片的安装发挥了电磁屏蔽作用和散热作用，起到了安全防护作用。

各个主要部件的工作原理如下：

中央处理器由一款ARM7芯片实现，ARM7除了承担整个模块固件的载体外，还实现了缓存应用：中央处理器对外实现USB、串口通信及相关I/O口的输入输出通信；对内控制射频收发芯片的工作指令以及对自适应阻抗调谐网络的闭环控制。所述的自适应阻抗调谐网络由射频收发芯片、功率放大器、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络组成，与中央处理器形成封闭实时检测反馈电路；

射频收发芯片集成了频率综合器、混频器、驱放以及低噪放；功率放大器的作用是把放射信号进一步线性放大用以延展读写器的有效识别距离；耦合器主要作用为实现收发链路的隔离，同时对前向发射链路的能量进行检测，并通过检波器将射频信号转变为电压信号发送给中央处理器，中央处理器进行A/D采样处理，从而实现前向发射链路功率、后向接收链路功率的实时检测；

本实施例中的晶振分为晶振Ⅰ、晶振Ⅱ，晶振Ⅰ是一款无源晶振，与中央处理器连接，为中央处理器提供时钟参考；晶振Ⅱ是有源TCXO，与射频收发芯片连接，为射频收发芯片提供精准的时钟信号；

电源管理电路实现各个有源电路所需要的各种电压，同时电源管理电路还可以与外部控制装置连接，接受外部信号控制以实现读写模块的休眠状态，进入低功耗模式。

图3为自适应阻抗调谐网络的电路原理图，图中天线调谐匹配网络采用一串一并的拓扑方式，通过SPI总线由中央处理器对可调元件进行实时控制；U923、U924为天线调谐匹配网络中的可调元件，U303为检波器，U900为耦合器，U901为功率放大器，J301为射频接头，射频接头采用MMCX射频连接器；其中，SCL为时钟信号，低电平有效，当SCL处于低电平时，中央处理器通过对可调元件U923、U924的值进行调整，改变耦合器与外部天线之间的匹配状态，并通过检波器对反射波的大小进行闭环检测，直到在某一频率下驻波比达到最优门限值。

图4是通过图3所示电路建模仿真出的smith圆图，黑色实心线表示在800-1000MHZ频段范围内初始驻波比对应的阻抗值，由圆点覆盖的近似扇形区域为自适应调谐网络的有效阻抗范围。m2为理想的阻抗值，此时驻波比近似1，阻抗值为50欧姆，在实际电路中，天线回波能够被改善但不能消除。m1为915MHZ时的阻抗值，此时阻抗值为40欧姆，复阻抗为36.858+j10.762欧姆，驻波比对应的回波损耗大约为-14dB，与传统超高频RFID读写模块的回波损耗17dB比较，天线回波改善3dB。

根据Friis传输公式： 

                           （1）

其中，是发射机的发射功率，

是接收机的接收信号强度，

和

分别是接收天线、发射天线的辐射效率，

是工作电磁波波长，R是两个设备之间的距离，

和

分别是接收天线、发射天线的定向增益。

由公式（1）转换可得公式：

（2）

通过公式（2）可以看出：若读写器的天线增益与标签天线增益不变，此时由于自适应调谐网络改善了功放输出阻抗的驻波比，进而进入到接收机的泄漏能量得到了较大程度的改善，已知接收灵敏度改善3 dB，

为30dBm，

（dB）和

（dB）由于上述假设不变，而

由于改善了3dB，那么由于等式成立，唯一改变的就是

，则R = 1.4125 ，R为加入自适应调谐网络后设备之间的要求，由此可得结论为：标签读取距离改善40%左右。

根据以上原理以R2000芯片为例，在相同的天线、标签及测试环境中，测试传统超高频RFID读写模块与基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块的读写距离、盘点时间与盘点的标签数量，基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块与传统超高频RFID读写模块相比较，增加自适应调谐网络，如图3所示。表1为实验结果：

表1：有无自适应调谐网络的超高频RFID读写模块的数据对比

对比项目	读取距离	盘点时间	标签数量
				传统读写模块	2.5米	7s	90个
自适应调谐读写模块	3.5米	3s	120个

由表1中可以看出，传统超高频RFID读写模块与基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块相比较，读写距离改善40%，盘点时间减少一倍多，盘点的标签数量也提高30%左右，由此可得结论：读写器灵敏度足够高，才能确保处于边缘的标签能及时得到响应，漏读概率降低。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于包括：中央处理器、自适应阻抗调谐网络、电源管理电路、连接器、射频接头、晶振Ⅰ、晶振Ⅱ；所述的晶振Ⅰ、连接器与中央处理器连接，中央处理器与自适应阻抗调谐网络连接，自适应阻抗调谐网络与射频接头连接，所述的电源管理电路与连接器、中央处理器、晶振Ⅱ、自适应阻抗调谐网络连接，射频接头与外部天线相连。

2.根据权利要求1所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于自适应阻抗调谐网络包括：射频收发芯片、功率放大器、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络；所述的射频收发芯片与中央处理器、晶振Ⅱ、功率放大器连接，功率放大器与耦合器连接，耦合器与天线调谐匹配网络、检波器连接，检波器与中央处理器连接，天线调谐匹配网络与射频接头、中央处理器连接，电源管理电路为射频收发芯片、功率放大器、天线调谐匹配网络提供电源。

3.根据权利要求2所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于中央处理器、射频收发芯片、功率放大器、耦合器、检波器、天线调谐匹配网络形成封闭实时检测反馈电路。

4.根据权利要求1所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于还包括有散热片。

5.根据权利要求3所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于天线调谐匹配网络的拓扑网络可为串联、并联甚至多级级联，网络级数越多，自适应阻抗调谐网络可调谐的范围就越宽。

6.根据权利要求1所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于自适应阻抗调谐网络与中央处理器的通信接口方式为SPI或I²C。

7.根据权利要求1所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于通过射频开关，将射频接头可以扩展为多个。

8.根据权利要求1所述的基于天线自适应调谐技术的超高频RFID读写模块，其特征在于所述电源管理电路提供3.3~5V电源电压。

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