一种RFID阅读器前端载波抑制方法

晏龙波

（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 611731）

近年来RFID发展迅猛，特别是UHF RFID发展很快，在我国应用也越来越广，例如停车场收费，安防，智能交通，移动支付等领域。常规的无源反向散射式的RFID系统[1]，主要是由RFID阅读器和无源标签组成。标签仅仅靠接收到或者感应到的电磁能量工作，同时利用调节天线或线圈负载特性[2]的方法产生信号，并向阅读器回传信息[3]。但是由于标签天线尺寸的限制，使得阅读器射频前端接收到的标签反射信号非常微弱[4]。另一方面，由于阅读器在接收时，还要不断地发射连续载波以提供能量给标签，这样在接收的同时就会由于严重的载波泄露，导致射频接收前端的LNA或者带有增益的下混频器的前端饱和，从而严重恶化接收信噪比，导致阅读器识别距离下降和解调误码率增加，使整个阅读器性能急剧下降。

为了解决这种载波泄露的问题，文献[5]采用了定向耦合器和载波抑制相结合的办法，获得了45 dB的载波抑制的效果。但是这种方法只能抑制相位和幅度稳定的载波泄露信号，对于由于环境改变导致的反射干扰信号就不能抑制。

文献[6]采用了数字控制技术的自适应抵消环路，虽然能抑制背景反射干扰，获得了42 dB的载波抑制效果，但并没有完全抑制载波泄露的主要源头。所以其抑制效果并不太理想。

文中提出了比较彻底的解决办法：一般的解决方案只是解决了一个或者两个载波泄露的问题，要解决所有的载波泄露至少需要三路抵消，并且对于因为阻抗不匹配造成的反射，抵消不能达到最终目的（因为反射越大，发射的有效功率就越小，标签得到的能量就越小），还应该考虑到自动阻抗匹配的问题。在结构中，采用了闭环反馈调节，以达到更彻底的载波抑制效果。

1 工作原理

载波泄漏主要由3部分组成：

1）由于接放大器输出端的定向耦合器隔离度度不够，导致相对于标签反射信号大得多的载波泄露到接收端。

2）由于天线与阅读器射频前端阻抗不匹配，造成反射的载波直接进入到接收端。

3）由于环境变化，特别是在天线前面有很多障碍物时，导致障碍物反射的载波直接被天线接收，与有用信号叠加在一起。

为了解决以上分析的载波泄露问题，文中设计了如下的载波抵消电路：

阅读器射频前端载波抵消电路原理框图如图1所示。

原理图说明：

图1 载波抵消电路原理框架图Fig.1 The framework of carrier cancellation circuit diagram

射频收发前端由发射链路和接收链路组成，在一个阅读器指令操作周期开始后，阅读器在发射完指令后，持续地发送连续载波以提供能量给标签。此时在接收端将会至少有定向耦合器的泄露载波、天线不匹配引起的反射载波、环境产生的反射载波、标签返回有用信号这4种信号。本电路采用ADI公司的AD8302，该芯片能同时检测从低频到2.7 GHz的2个信号的相位和幅度差。其幅度测量范围可达60 dB，相位测量范围可达180度。当从定向耦合器载波输出的耦合端获得3路载波信号，用AD8302检测其中3路与接收端返回的信号相位和幅度差，其输出信号进入单片机的AD口，单片机获取相位和幅度差以后通过DA口分别控制3路上的可调衰减电阻和可调移相器，改变其幅度和相位，使得其幅度相位分别与泄露的载波幅度相等和相差180度。

对于3路载波抵消，因为是3路泄露的载波混合起来的矢量信号，因此同时测出3路不通载波的幅度与相位差是极其困难的，但是发现：

1）由于定向耦合器隔离度不够，产生的泄露，其泄露的载波相位变化（与所采用的定向耦合器有关）是基本固定的，其幅度也基本可以依据定向耦合器的隔离度与PA发射功率大致确定。

2）由于天线与射频前端不匹配产生的反射载波，我们也可以大致确定其幅度和相位变化，因为反射的载波相位变化由定向耦合器输出端至天线的射频线长度决定，而反射载波的幅度大小则由不匹配程度（驻波系数）决定。

3）最有可能变化的是由于环境产生的反射载波，这部分载波的幅度和相位变化随着环境改变而不断变化，因此才需要闭环反馈回路来不断调节，直到找到一个比较准确的值去抵消该路载波。

反馈调节：由于存在测量误差或者其他原因，做一次测量并不能完全抵消，因此在抵消后的接收支路上接了一个功率检测芯片，该芯片将检测后的值送入单片机，单片机依据这个值判断抵消效果，如果不明显，则继续调节，直至功率检测芯片检测出的值很小。

自动阻抗匹配调节有2种方法：

1）在进行载波抵消之前，可以让阅读器发送空载波，此时在阅读器接收端用功率检测检测反射功率，单片机根据测得的值粗调节阻抗匹配电路。调节后，再检测，再调节，直至检测的功率最小为止。

2）在进行载波抵消时进行自动阻抗匹配调节，但这时因为同时在进行载波抵消，可能在时间开销上会增加很多。所以MCU的处理能力要满足RFID协议规定的时间要求。

常见阻抗匹配网络如图2所示。

图2 Π型衰减阻抗匹配网络Fig.2 Π attenuation impedance matching network

该自动阻抗匹配通过调节电阻或者电容电感值实现阻抗匹配。

常见移相网络如图3所示。

图3 阻容相移网络Fig.3 Impedance and capacitance phase shift network

2）载波抵消软件流程

主MCU的处理过程，流程图如图4所示。

图4 载波抵消软件流程图Fig.4 Flow chart of carrier cancellation software

从流程图可以看出，实现载波抵消的关键在于反馈调节，而怎样设计调节的间隔从而快速找到一个合适的值，实现最大程度的载波抑制，才是设计的关键。而反馈调节需要满足RFID通信协议，也需要MCU有足够的处理能力。当然如果对整个RFID阅读器性能要求不高，就不用每次对标签的操作都进行上述操作，可以在MCU的控制程序中设定一定的间隔时间或操作次数后进行。而实际应用环境也不可能变化很快，所以上述方法可以满足绝大部分应用场合的要求。

2 结 论

笔者针对RFID阅读器射频前端的载波泄露，首先完整分析了产生载波泄露的原因，并分析了以前载波抵消方法的不足之处，然后提出了新的载波抵消的办法—通过3路抵消和闭环反馈回路的办法。提出的方法是从工程的角度出发，所以很难进行仿真，并且由于实验条件所限，没有进行实验验证。但从工程上是可以实现的。其中需要注意的是

1）反馈调节的算法，算法是否可以快速收敛，以满足协议里对于时间等的要求。

2）注意AD8302的输入是有一个范围的，所以最好在输入端加一个衰减器，再进行测量。

[1]黄闯，陈迪，陈翔，等.基于MEMS工艺的异性材料定向天线[J].传感技术学报，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]赵洪新，洪伟.微型低功耗微波反射调制器的研究[J].微波学报，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]赵洪新，颜力，王成国，等.一种用于RFID传感阅读器的载波抵消射频前端方案[J].传感技术报，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.