基于PR9200的微型RFID模块设计

彭锐波



基于PR9200的微型RFID模块设计

彭锐波

（东莞市艾特姆射频科技有限公司）

针对传统频段RFID模块传输距离较短、集成度不高等问题，提出一种基于PHYCHIPS PR9200芯片的微型RFID模块设计。首先，按照PR9200芯片架构设计微型RFID模块总体结构；其次，分别设计微型RFID模块的电源管理、信号输出、锁相环路和射频前端等电路；最后，考虑模块制备过程的可靠性、电磁兼容性能，开发了微型RFID模块产品。结果表明：本文设计的微型RFID模块尺寸为28 mm×28 mm，最大输出功率26 dbm，对ALIEN 9662标签读写有效距离≥2m，实际功耗低于1 W。

射频识别；RFID模块；UHF；微型化

0 引言

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术通过反向散射电磁波的原理获取和更改电子标签的信息[1]，由于其成本低、微型化[2]，广泛应用于军需物资、食品与药品、智能交通、仓储管理、物流管理和智能生产等领域。本文通过研究韩国PHYCHIPS公司最新推出的UHF频段RFID芯片PR9200，实现UHF RFID模块微型化及产业化。

1 基于PR9200的微型RFID模块设计

1.1 PR9200芯片架构

PR9200芯片结构原理图如图1所示。PR9200芯片是真正意义上的UHF RFID 读写单芯片解决方案，使用WBGA64封装，并在6 mm×6 mm面积上集成高性能射频（860 MHz ~960 MHz）收发器、Modem基带处理器、ARM Cortex-M0处理器、存储器（64 kB Flash和16 kB SRAM），此外完全集成 ISO18000-6C & EPC C1G2[3]协议。

图1 PR9200芯片结构原理图

由于PR9200的高度集成，使芯片的外围电路非常简单，有效减小了读写器的尺寸、成本及功耗，同时芯片提供完善的技术支持，使开发难度降低、周期缩短，这使超高频读写器的应用领域得到极大扩展[4]。可看出PR9200适用于低成本微型RFID模块设计。

1.2 基于PR9200的微型RFID模块设计

通过对芯片的研究，分别设计电源管理电路、信号输出电路、锁相环路电路、射频前端电路，实现基于PR9200的微型RFID模块。

1) 电源管理电路，受限于模块的体积，模块的电源管理无法像普通电路那样对每个敏感的用电区域都使用单独的电源芯片供电，只能使用单个LDO电源芯片同时给PR9200核心、PLL、RF及射频功放供电，所以必须在每个供电支路添加相应的磁珠及旁路电容，以保证电源的纹波在限制范围内。超高频RFID电路的主要电源纹波干扰频段在900 MHz附近，根据旁路电容的计算公式=1/，算出各个供电支路应该添加100 pF的旁路电容。

2)信号输出电路，PR9200芯片的外置功放输出端的阻抗为12.6+7.4，设电阻为、电容为、频率为，则，其中为超高频的常用中心频率915 MHz，由此式可计算得出=12.6Ω，≈23.5 pF。在计算机上使用ADS的Smith-Chart工具，搭建模型并计算，可得到π型匹配电路[5-6]，=6.2 nH，=8 pF，如图2所示。PR9200外置功放输出信号经过匹配电路则能匹配至50Ω[7]，从而将数据无损地送到下一个滤波环节。

3)锁相环路电路（phase-locked loop，PLL），PLL是一种反馈控制电路，其利用外部的输入参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，从而实现信号频率的输出及对输入信号的频率自动跟踪。通常PLL由鉴相器（phase detector，PD）、环路滤波器（loop filter，LF）和压控振荡器（voltage controlled oscillator ，VCO）3部分组成[8-9]。PR9200已经集成了PD和VCO，只要外接LF即可正常工作。通常PD的带宽应大于LF10倍，因模块的体积小，图3为二阶无源滤波器作为PR9200的低通滤波器。

(1)

当传递函数中1<<2时，环路滤波器的相位滞后量会小于超前因子的相位超前量，从而符合PLL的设计要求。根据式(1)和PR9200的参数表，可确定LF的各个参数为2=5.1 kΩ，1=390 pF，2=2.7 nF。

4)射频前端电路，射频前端电路包括射频功放电路、发射信号及接收信号的隔离、信号巴伦变换等，这些电路均采用官方推荐的器件及设计方法。

综合以上设计，基于PR9200的微型RFID模块原理图如图4所示。

图4 基于PR9200的微型RFID模块原理图

2 微型RFID模块的实物图及性能

按照上述思路，微型RFID模块采用罗杰斯高频PCB板材，标准的FPC数据连接器和微型化IPEX射频接头，并在电路两侧设置邮票孔位，以方便模块集成到各种手持设备。同时配备铝合金屏蔽罩[10]，防止电磁干扰对外部设备的影响。基于PR9200的微型RFID模块实物图如图5所示，尺寸为28 mm×28 mm。

图5 基于PR9200的微型RFID模块实物图

实际测得模块最大输出功率26 dbm，配合增益为2 dbi的圆极化陶瓷天线，读取ALIEN的9662标签[11]，有效距离≥2 m，而在=3.7 V供电和最大发射功率情况下的实测平均电流为=280 mA，根据算得实际功耗仅为1 W。

3 结语

本文按照PR9200芯片架构开发了微型RFID模块，分别设计其电源管理、信号输出、锁相环路和射频前端等电路。该微型RFID模块尺寸为28 mm×28 mm，最大输出功率26 dbm，对ALIEN 9662标签读写有效距离≥2 m，实际功耗低于1 W。该模块适用于对成本敏感的制造业智能生产的项目，并可集成到各种移动设备。在后续的研究中，以进一步提升其性能为方向，使其应用范围更加广阔。

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Design of Mini RFID Module Based on PR9200

Peng Ruibo

(Dongguan Atmiot RF Technology Co., Ltd.)

Focusing on the problem that the traditional frequency band RFID module transmission distance is insufficient and integration is not high enough, a miniature RFID module based on PHYCHIPS PR9200 chip is proposed. Firstly, a micro-RFID module system was designed in accordance with the PR9200 chip architecture; Secondly, the power management circuit, signal output circuit, PLL circuit and RF front-end circuit of micro RFID module were demonstrated respectively. Finally, considering the reliability and electromagnetic compatibility in the process of module fabrication, the final miniature RFID module was proposed. The results show that the size of the RFID module is 28 mm × 28 mm, the maximum output power is 26 dbm, the reading and writing effective distance of ALIEN 9662 is ≥2m, and the actual power consumption is less than 1 W.

Radio Frequency Identification; RFID Module; UHF; Miniaturization

彭锐波，男，1984年生，电子工程师，本科，主要从事射频电路及无线通信系统的研究及设计工作。