RFID设备天馈口防雷技术研究

摘 要：随着物联网的迅猛发展，RFID技术已在众多行业中得到广泛应用，其中固定式阅读器的应用场景尤为丰富，且室外型阅读器占比最大。然而，室外型阅读器的工作场景复杂，极易受到雷击干扰，轻则影响设备的正常运行，重则导致设备短路。因此，对于室外RFID设备而言，防雷设计显得尤为重要。在室外RFID设备的接口防雷设计中，天馈口的防雷设计最为困难，因为防雷器件、防雷电路极易影响射频链路的匹配，从而影响设备的射频指标。目前，业界大都采用外置防雷器的解决方案，但该方案工程实施难度大、成本高，防护效果不稳定。针对这一问题，提出了一种新型的RFID设备天馈口防雷方案，与设备一体设计，成本低廉，并且经过雷击测试验证，证明其有效且可靠，可以保障设备在雷击高发区域依然能够稳定工作，对设备可靠性设计具有重要的参考价值。

关键词：物联网；无线射频识别；天馈；防雷；抗干扰；阅读器设备

中图分类号：TP39；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

近年来，物联网技术发展迅猛[1-3]。RFID 技术是一种通过无线电磁波在标签和读写器之间进行数据传输的自动识别技术[4-6]，其作为物联网采集层的重要组成部分，已被应用于诸多行业和场景[7]。阅读器设备是RFID系统的重要组成部分[8]，广泛应用于各类物联网采集层场景。在阅读器中占比最大的是室外型设备[9]，这类设备被安装在各种应用环境中[10-12]，需要面对复杂多变的工作场景和不同的工程实施条件。室外型阅读器极易受到雷击干扰，轻微的雷击干扰可能会导致设备离线、工作中断等问题；若雷击干扰较强，且缺少有效的防护措施，则会导致设备电路被烧毁，造成重大损失。

当前，各个设备厂商已经充分认识到防雷方案的重要性，并开展了相应的研究。对于室外型阅读器，接口防雷设计中最为困难的是天馈口防雷，因为各类防雷器件或者方案极易影响射频链路的匹配，进而导致设备关键射频指标的恶化，直接体现为设备的工作范围缩小，使用效果变差。目前业界较多使用外置集成的防雷器作为天馈口防雷方案，但该方案存在明显弊端：防雷器占用额外空间，增加了工程实施难度，同时也带来较大的成本负担。

本文针对行业对室外型阅读器天馈口防雷的要求，分析了目前业界方案存在的问题；提出了一种新的国产化天馈口防雷设计方案；在实际的产品中予以实施，并通过防雷测验验证了其有效性。

1 问题的提出

1.1 现有方案的问题

根据行业应用标准，室外型RFID设备的天馈口防雷系统需要通过5 kA的冲击电流测试，以确保设备可以在雷击高发区域稳定工作。采用目前传统的防雷方案，在做雷击测试时，低等级的测试可以通过，但当测试条件提升为5 kA时，系统防雷性能不稳定，经常出现射频接口附近微带线被雷击电流烧毁熔断的现象，如图1所示。这一现象不仅在实验室测试中有所体现，在实际使用的设备中也会发生。

1.2 问题分析

由于射频端口性能和单板阻抗匹配等限制，现有方案中PCB射频链路微带线的通流能力有限。因此，设备天馈口的防雷系统设计分为两个部分，一部分为整机内部的防雷方案，需要承受2 kA的冲击电流，以满足整机在室内、少雷区等环境的防雷需要；另一部分为外置天馈防雷器的整机防雷模式，需要承受5 kA的冲击电流，以满足整机在雷电高发区的防雷需要。

第一部分通过实验室验证，整机设计可以满足2 kA的防雷要求，防雷设计主要通过内部的气体放电管来泄放冲击电流，并利用电容来泄放气体放电管的残压。电路设计如图2所示。

第二部分在测试时发现系统防雷性能不稳定，有时能够通过测试，有时单板PCB射频链路微带线烧毁断裂，无法满足系统的防雷需求。第二部分方案的示意图如图3所示。

从防雷设计原理分析，防雷器内部为一个气体放电管，设备板内核心器件也是一个气体放电管，而且二者之间没有退耦器件，那么整个射频端口的防护就是两个气体放电管并联，等效关系如图4所示。雷击发生时，冲击电流可能会首先通过板内气体放电管进行泄放，因此现有的防雷方案会存在防护不稳定、防护等级不达标等问题。

2 天馈防雷设计方案

本文方案设计预期达到的效果是：雷击发生时外置天馈防雷器先被触发进而泄放掉大部分的能量，后级的整机系统内的放电管再启动，泄放掉前级天馈防雷器的残压，从而将残压控制在系统可承受的范围之内。

气体放电管有一个很重要的指标，瞬态击穿电压，目前业界使用的气体放电管部分参数如图5所示。

由上述参数可知，当使用1 kV/μs的波形时，电压达到550 V或者550 V下限一定区间范围内就会触发击穿。而雷击测试时使用的模拟波形时间为8/20 μs，经过计算，大约0.7 μs即可触发击穿。若外置的防雷器放电管的瞬态击穿电压的参数值和系统内部放电管的参数相近，且考虑到每个气体放电管自身存在10%～20%的上下区间差异，就很可能导致后级的气体放电管先触发，通流能力很差的PCB射频微带线就会被烧毁击穿。天馈口至气体放电管部分PCB微带线如图6所示。

这样便合理地解释了为何同样的方案会出现不同的测试结果。因为即便是同一个防雷器件供应商，若是不同批次的气体放电管，自身的瞬态击穿电压参数也是有离散差异的。由此看来，现有的设计方案仍存在不足，无法保证外置天馈防雷器在冲击电流到来时能够先于系统内部的气体放电管触发。而当系统内部的气体放电管率先触发时，受限于阻抗约束的射频微带线的通流能力差，极易出现熔断断裂的现象。

2.1 思路验证

为了验证上述设想，对其开展了两项验证：

实验一：去掉系统前级的防雷器，对系统整机做5 kA、8/20 μs的冲击电流实验。实验结果：单板PCB走线断裂，与之前出现的现象相同。实验结论：PCB走线断裂是由于单板内的防雷设计无法满足5 kA冲击电流而造成的。

实验二：去掉整机系统内部的气体放电管，只使用外部的防雷器。实验结果：单板PCB走线完好，测试单板器件，发现开关管损坏。实验结论：外置防雷器的放电管可以泄放掉大部分的能量。单板PCB走线可以承受防雷器残压的能量，但是单板上的个别器件却不能承受防雷器的残压，会被防雷器的残压损坏。

2.2 设计方案

现有的设计方案无法保证外置天馈口防雷器在冲击电流来临时能先于系统内部的气体放电管触发。当系统内部的气体放电管先触发，薄弱通流的走线就会出现熔断断裂的现象。

鉴于RFID系统的天馈电路设计的特殊性，无法在前置的防雷器和系统天馈口之间增加退耦器件来保证外置防雷器先触发而系统内置气体放电管后触发。因此，外置防雷器的方案存在局限性和显著不足。需要设计一种防雷电路，当雷击来临时，其能更快启动，泄放更多能量，且残压更低。为了保证新的前置防雷电路能够先于系统内的气体放电管触发而泄放掉大部分的能量，在电路上采用了1/4波长原理的防雷电路来替代之前使用气体放电管的防雷器。1/4波长原理的防雷电路比气体放电管型的防雷器的启动时间更短且残压更小，而且对原有射频链路表现出良好的兼容性。其等效为对地开路，因此不会干扰原有链路的匹配和阻抗，同时也不会降低射频前向功率以及反向灵敏度等关键指标。

3 方案验证

将采用新型国产化防雷方案的PCB单板，装配到整机设备中，在实验室同样对整机天馈口做8/20 μs的冲击电流实验。射频同轴线芯对线皮做10次5 kA冲击电流测试、10次10 kA冲击电流测试。实验验证：设备业务测试正常，端口驻波检测正常，关机测量开关管完好，PCB走线完好，设备各项参数指标与测试前相比没有变化。证明新的设计方案行之有效，可以很好地对RFID设备的天馈口进行雷击防护。

4 结 语

RFID设备天馈口防雷设计是确保系统可靠性的重点也是难点。传统方案存在成本高、安装复杂、防护不稳定及可靠性低的弊端。本文深入剖析了现有方案的不足之处，在此基础上进一步提出了新的整体防雷设计方案，经过实验验证，本方案可以有效地进行雷击防护。相比于传统方案，成本更低、安装更加简便，能够显著提高RFID系统的可靠性，也对其他无线通信设备的天馈口防雷设计有一定借鉴意义。

如何进一步提高天馈口防雷能力、提升防雷方案的鲁棒性以及降低防雷电路的成本，将是下一步研究工作的重点。

参考文献

[1] 仲元昌，陈辉，丁漩，等. 多天线RFID阅读器的多标签识别及其可靠性分析[J]. 高技术通讯，2011，21（11）：1190-1195.

[2] 时国龙，沈心怡，辜丽川，等. 面向智慧农业的无芯片射频跨域感知研究进展[J]. 农业工程学报，2023，39（7）：10-23.

[3] 许航. 基于RFID的智能仓储系统设计及性能评估[J]. 自动化仪表，2023，44（2）：44-47.

[4] 余加宝，姚俊梅，谢瑞桃，等. 基于深度学习的超高频标签识别系统[J]. 计算机科学，2023，50（1）：656-661.

[5] 宋国荣，文硕，吕炎，等. 基于RFID的微带天线应变传感器的仿真分析[J]. 北京工业大学学报，2018，44（5）：716-724.

[6] 马建平，袁晨，袁圣越，等. 一款应用于UHF RFID阅读器接收机的自动增益控制电路[J]. 微电子学与计算机，2016，33（1）：37-41.

[7] 张侦锐，袁家德. 耦合馈电小型圆极化高增益RFID阅读器天线[J]. 福州大学学报（自然科学版），2023，51（4）：512-516.

[8] 黄虎，杨丁，周雄军，等. 关于UHF RFID的低相噪VCO设计[J]. 自动化与仪器仪表，2016（6）：187-189.

[9] 高雅洁，叶建芳，袁璇，等. 物联网RFID射频系统中放大器的设计与测试[J]. 数字技术与应用，2017（5）：187-189.

[10] 彭梅，郑步生. 一种手持式超高频RFID阅读器的设计[J]. 现代电子技术，2014，37（23）：80-83.

[11] 冯强，杨维. RFID技术在救灾物资储备库系统中的应用[J]. 物联网技术，2023，13（3）：143-146.

[12] 刘儒平，乔记平，刘龙波. 基于UHF RFID的智能书架管理系统研究与设计[J]. 现代电子技术，2021，44（20）：42-46.