一种UHF RFID读写器射频前端隔离部分设计方案研究

孙 嘉，史燕中，张 丹

（中国航天科工集团第二研究院706所 北京 100854）

随着国内物联网事业的不断兴起，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术在各个行业内开始有了越来越广泛的应用，而超高频（Ultra High Frequency，UHF）频段的RFID设备具有读写距离远、多标签识别快、适应物体高速运动性能好的特点，使得UHF频段的RFID技术以及相关标准成为了全球RFID产业和研究部门关注的热点。

随着UHF RFID设备的不断推广，对读写器的读写距离的要求也越来越高。为了提高读写距离，通常使用增加发射电路的功率、降低标签的激活电平以及提高接收电路的灵敏度等方法。其中增加发射功率最为简单。但由于UHF RFID读写器自身存在着载波泄漏的问题，发射功率越大，泄漏的载波信号也越强，这样会导致接收端无法有效检波，反而降低了读写器的读写距离。因此，提高读写器读写距离的关键就在于如何解决载波泄漏这一UHF RFID读写器的先天性问题。

1 载波泄漏抑制方法

读写器在工作时，发射电路在将已调信号发送完毕后，仍需要继续发送连续载波信号来为标签提供反向散射的能量，在单天线的UHF RFID读写器中，发射电路送出的连续载波信号会不可避免的泄漏到接收电路中。发射功率越大，泄漏到接收电路的连续载波信号强度越强。载波泄漏会导致接收电路无法有效的检波，当泄漏信号比较强时会导致接收电路饱和而导致接收电路无法工作，严重时会超过接收电路芯片的最大允许电平而烧毁芯片，严重影响接收电路的性能。更为糟糕的是，泄漏载波信号与有用信号的频率相同，无法采用选频滤波器将两者区别开来。

通常载波泄漏有3个途径[1]：由于隔离器件的隔离度不足而直接泄漏；由于天线阻抗不匹配而造成载波信号的反射；由于外界环境复杂而造载波信号的反射。天线阻抗不匹配可以靠对匹配网络进行优化而解决。外界环境造成的载波泄漏的强度通常十分小，可以忽略。直接泄漏是造成载波泄漏的主要因素，为了解决载波直接泄漏的问题，常用的方法有：环形器、定向耦合器、本振提取抵消[2]、四通道差分抵消[3]以及多天线结构等，其优势与局限性如表1所示：

从表1可以看出，目前的载波泄漏抑制方案主要有两种方式：利用元器件本身的物理特性来进行隔离和对信号本身进行叠加抵消的方法。上述方法均有一定的局限性，仍有继续改进的必要。

表1 不同载波泄漏抑制方案对比Tab.1 Comparison of different carrier-leakage-restraining ways

综合上述方法的优缺点，参考相关文献[4-6]，针对在UHF RFID读写器中通常采用的零中频发射/接收电路提出了一种抑制载波泄漏的方法，其原理如图1所示。

图1 载波泄漏抑制方案Fig.1 Carrier-leakage-restrainingscheme

本系统采用等幅反相叠加消去的方法进行载波抵消。该方法的基本思路为用一个与泄漏信号等幅反相的信号与泄露信号进行叠加，从而实现载波泄漏抑制的功能。

当UHF RFID读写器发射指令时，定向耦合器将一部分信号耦合出来作为前向功率检测。读写器发射完指令后，将持续发送连续载波给标签，这时将该载波信号通过定向耦合器耦合出一部分作为载波抵消信号，由于该载波抵消信号是通过定向耦合器是从发射电路提取的，因此其频率与从环形器泄漏出的载波信号一致，这样可以使载波泄漏抑制电路简化。通常环行器的隔离度为25～30 dB，而耦合器耦合出的信号通常会衰减10 dB，因此需要额外的衰减器来使载波抵消信号与载波泄漏信号等幅。由于定向耦合器耦合出的信号与原信号会有90°的相位差，因此需要经过移相器使载波抵消信号与载波泄漏信号反向，将两路信号进行叠加后抵消。同时，由于不同频率的载波在通过环行器泄漏时的相移是不同的，为了适应UHF RFID读写器工作时的不同频率，载波抑制电路中的移相器和衰减器均采用可控器件，可以通过MCU进行动态调整。

通常的RFID读写器为了避免接收信号与载波泄漏信号过大导致接收电路无法正常工作，经常舍弃低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）而采用选频滤波器作为接收电路的第一级，根据噪声系数的计算公式

可以看到，接收电路的噪声主要是由电路的第一级噪声系数决定的，将选频滤波器放在第一级必然会使接收电路的整体噪声系数变高，灵敏度降低。为了解决这一问题，在载波泄漏抑制电路的末端设置了功率检测器和衰减器进行回路功率检测以及闭环信号衰减控制。当接收功率小于接收电路的正常工作范围时，衰减器不工作；当功率检测器检测到信号大于接收电路的正常工作范围时，其电压信号将使衰减器的衰减量增加，同时，该电压信号送到MCU中，可以使MCU控制发射功率降低，从而减少进入接收电路的信号能量，从而保证接收电路工作在正常工作范围内。结合前面的载波泄漏抑制，使在接收电路的第一级使用LNA变为可能，这样可以有效的降低接收电路的噪声系数，进而提高接收电路的灵敏度。同时在下变频前对射频信号进行放大，可以降低下变频后对解调信号的增益需求。

由于回路功率检测的检测范围有限，当信号强度小于功率检测器的最小阈值时，从功率合成器来的信号将无法被检测到，这样导致通过功率检测来对衰减器和移相器进行实时反馈调整很难保证载波抵消信号与载波泄漏信号等幅反相。虽然不同频率的信号在经过环形器的相移不同，但频率相近的信号在环形器的相移差距并不多，因此针对于目前国内应用较多的国际标准[7]与射频识别国家标准[8]的综合要求，在902～928 MHz的频段内采取通过矢量网络分析仪确认不同频段的调整值然后固定写在MCU中的方法，简化MCU的控制难度。

2 仿真和试验验证结果

根据现有的商用芯片参数进行参考，为载波泄漏抑制电路中的各个元器件设定参数，并将该电路在ADS中进行仿真，其结构如图2所示。图中Term1为接收电路接口，Term2为天线端口，Term3为发射电路端口。

在设计中，发现移相器的移相范围通常是-80°～-180°，对于在耦合器上已经有了90°移相的载波抑制信号来说，仅仅靠一个移相器是无法达到与载波泄漏信号反相的。因此在原有结构的基础上增加了另一个移相器，以满足载波泄漏抑制的实际需求。

在此基础上对衰减量与移相量进行调谐优化，在915 MHz频点的隔离度仿真结果如图3所示，可以看到理论上收发电路的隔离度可以达到90 dB，而接收端的插入损耗仅为-3 dB，在添加接收端的衰减器后，对于小信号的插入损耗会增加到-4 dB，这种结果在与隔离度大幅提高的结果相比较是能够接受的。仿真结果表明，该电路在UHF RFID读写器的工作频段能够起到较好的隔离性能。

图2 载波抑制仿真电路Fig.2 Carrier-leakage-restrainingartificial circuit

图3 载波抑制电路仿真结果Fig.3 Simulation result of carrier-leakage-restrainingcircuit

基于软件仿真的结果，选择Mini-Circuits公司的环形器ZFDC-10-2-S，衰减器MA4VAT904-1061T，National Semiconductor公司的功率检测器LMV225，Skyworks公司的移相器PS094-315和Anaren公司的定向耦合器XC0900P-10S为主要元器件来完成载波泄漏抑制电路，并制作原型PCB板。成板如图4所示。

图4 载波泄漏抑制电路Fig.4 The carrier-leakage-restrainingcircuit

使用矢量网络分析仪来测量发射电路端口与接收电路端口之间的隔离度。结果如图5所示，该载波泄漏抑制电路在902～928 MHz间的隔离度约有59 dB，与仿真电路有着一定差距。分析其原因，主要是：1）由于仿真中采用的模型与实际电路的芯片有一定的差别；2）定向耦合器耦合出来的信号在经过衰减器和移相器后可能出现频移和频率扩散，并且衰减器和移相器很难做到精确的控制，在抵消信号时很难达到严格的等幅反相；3）在仿真中没有考虑阻抗失配，而在实际电路中或多或少的会出现失配的问题，因此实际测量值与仿真值之间出现了偏差。但这种方法仍然有效的提高了发送电路与接收电路间的隔离度，避免载波泄漏而导致的接收电路饱和。

图5 隔离度实际测量值Fig.5 The result of isolation measurement

然后我们对该电路天线到接收电路端的插入损耗进行测试。结果如图6所示。在接收信号较小时，衰减器没有进行工作，其插入损耗约为4 dB，当接收信号增大到一定范围时，衰减器开始工作，插入损耗随着接收信号的增加而增加，以保证接收电路收到的信号强度不超过LNA的线性范围。

图6 插入损耗实际测量值Fig.6 The result of insertion lossmeasurement

3 结 论

文中分析了目前常见的载波泄漏抑制方法，并提出了一种载波泄漏抑制电路方案。结果表明该电路可以较好的改善UHF RFID读写器发射与接收端的隔离度，并且可以有效的对接收电路进行保护。

[1]余尧.超高频RFID读写器射频前端的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学，2009.

[2]晏龙波.一种RFID阅读器前端载波抑制方法[J].电子设计工程，2011，19（22）:118-119.

[3]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].传感技术学报，2008，21（9）:1546-1550.

[4]陈蕾，尚宇，张艳玲，等.一种新型的零中频UHF RFID接收机[J].现代电子技术，2008，31（14）:12-14.

[5]Xi W，Qing Y，Bingbing Z，et al.A novel method of carrier suppression forUHF RFID readers [C]//Antennasand Propagation （APCAP），2014 3rd Asia-Pacific Conference on.IEEE，2014:738-740.

[6]Xiong T，Tan X，Xi J，et al.High TX-to-RX isolation in UHF RFID using narrowband leaking carrier canceller[J].Microwave and Wireless Components Letters，IEEE， 2010，20（2）:124-126.

[7]EPCGlobal Inc.EPC Class-1 Generation-2 UHF Air interface Standard Version 1.0.91[S].2005.

[8]GB/T 29768-2013.信息技术射频识别800/900MHz空中接口协议[S].2013.