超高频RFID射频前端载波抑制电路设计

李议论，游　彬，杜红伟，陈军慧

(1.杭州电子科技大学微电子CAD研究所，浙江 杭州 310018;2.中国电子科技集团第五十二研究所物联网事业部，浙江 杭州 310012)



超高频RFID射频前端载波抑制电路设计

李议论1，游彬1，杜红伟2，陈军慧2

(1.杭州电子科技大学微电子CAD研究所，浙江 杭州 310018;2.中国电子科技集团第五十二研究所物联网事业部，浙江 杭州 310012)

物联网技术是本世纪最具发展潜力的技术之一，超高频阅读器是物联网的重要组成部分.文章设计了一种超高频RFID射频前端载波抑制电路方案，抑制了发射功率串扰到接收电路的功率，提高了接收机的信噪比.首先分析了载波泄漏出现的原因，并介绍了电路整体框图，最后阐述了自动增益控制电路与载波抵消电路的原理.经实验验证，载波信号功率被抑制45 dB左右，与传统的载波抑制电路相比，简单易实现.

载波抑制；超高频读写器；移相器；自动控制增益

0　引　言

随着物联网概念的提出，软件无线电(Software Defined Radio，SDR)与超高频射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术得到高速发展与提升，UHF RFID技术是一种非接触式识别技术，无需接触即可识别目标物体上的携带的EPC码[1-2].目前该技术已经得到了广泛的应用，比如馆员管理系统、档案管理系统、物流仓储系统等[3-4].但是阅读器读取标签的距离受发射功率限制，主要是因为环形器隔离度有限，发射链路功率易泄漏到接收链路中，接收机在对标签信号进行解调时受到强载波信号的干扰而导致接收机灵敏度下降.为提高接受机接受灵敏度，此前研究者提出几种消除泄漏载波干扰的方案，但因方案需控制变量多而导致载波消除结果稳定性较差,实现困难，因此本文设计一种新的载波抑制方案来消除发射功率对接收电路的影响，经验证，本方案载波抑制结果稳定性较高，实现了发射链路与接收链路之间的隔离.

1　载波泄漏分析

图1　发射功率泄漏到接收电路的原理图[5]

超高频阅读器国家标准规定发射最大功率为1 W(30 dBm).以发射功率30 dBm为例，铁氧环形器理论上只有25 dB的隔离度，因此发射功率会有一部分进入到阅读器的接收端(大于5 dBm).RFID阅读器收发电路工作在同一个频率导致滤波器不能滤除发射电路泄漏的载波，所以接收链路引入载波抑制电路是必要的[5].发射功率泄漏示意图如图1所示.

2　系统电路框图分析

为达到收发隔离的效果，文献[6]提出了传统的载波抑制硬件电路方案，如图2所示，该方案在耦合端接入矢量调制器用于改变射频信号幅度与相位，矢量调制器对射频信号幅度的控制范围为30 dB，相位控制范围为360°.功合器把天线返回的标签信号与矢量调制电路处理的射频载波信号叠加实现载波消除.该方案的优点是硬件结构简单，但是当天线驻波变化时标签返回的射频信号功率改变，矢量调制器幅度也必须随之改变，又因为矢量调制器相位随着幅度变化而变化，所以软件部分控制难度大并且载波消除结果不稳定.

本文设计的载波抑制电路方案如图3所示，方案原理和传统方案相同，即利用叠加两路幅度相等、相位相反的同频波进行载波抑制.电路的具体工作过程是，STM8L单片机控制数模转换器DA1使自动增益控制电路输出固定功率，然后经功分器分为两路幅度相等，相位不同的射频信号.其中一路射频载波与标签返回信号经过PA放大后由限幅器限幅输出固定的射频载波功率，另外一路经过数模转换器DA2控制的移相器电路.当自动控制增益电路输出合适的功率时，两路射频载波信号的幅度相等，只需调节移相器使两路信号相差180°，再利用功合器实现两路载波信号相抵消.方案的优点是优化载波消除方法，即在接收端引入AGC电路，本设计电路的作用是当天线驻波发生变化时，其输出端射频信号功率保持不变，因此功率容易被功分器分为两路幅度相等的载波信号.因为载波幅度相等容易实现且不受天线驻波的影响，方案只需要调节相位变量，所以本方案的实现方法比传统载波抑制方案更简单.

图2　传统载波抑制电路方案

图3　本文载波抑制电路方案

3　系统硬件原理图分析

3.1自动增益控制电路

在RFID阅读器接收机中，自动增益电路通过自动增益控制来保证接收机输出信号幅度的平稳性[7].自动增益控制电路原理图如图4所示.控制电路将接收到的标签返回信号接入可变增益放大器ADL5330，放大后的信号由检波器检波，并把检波结果反馈到ADL5330的增益控制引脚形成反馈回路.该回路通过控制图4中DA_Vset信号在耦合器的直通端输出固定功率.

图4　自动增益控制电路原理图

3.2幅度与相位控制电路

自动增益控制电路固定输出的射频功率由功分器分为幅度相等相位不同的两路射频信号.幅度与相位控制电路原理图如图5所示.其中一路通过移相器PS088-315，该移相器在图5中Vctrl_P信号的控制下，射频信号相位线性变化，配合微带线调相满足载波消除的相位条件.另外一路经过放大器放大并由限幅器PS-2限幅输出固定功率，两路信号幅度相等的条件下，调节移相器控制电压使两路信号相差180°实现载波消除[8].

图5　载波消除电路原理图

3.3单片机软件控制

单片机的数模转换器DA1连接图4中的DA_Vset，数模转换器DA2通过放大电路放大后连接图5中Vctrl_P.程序开始工作时，单片机控制对控制信号进行嵌套循环遍历，找出适合的DA_Vset, Vctrl_P信号电压值.当DA_Vset信号输出合适电压值时AGC电路输出-1 dBm固定功率值，该功率被分成两路功率均为-4 dBm，相位相差90°的载波与标签返回信号，其中一路经过移相器后功率值为-5 dBm，另外一路经过放大器放大后由限幅器限幅输出射频载波信号功率也为-5 dBm，只需要调节Vctrl_P信号使两路信号相位相反，利用功合器实现载波抵消.当载波抵消后的检波结果经AD1采样后低于设定的门限电压值时，单片机将DA_Vset，Vctrl_P信号的电压值记录下来并保持不变，即可完成程序控制.另外软件控制过程是自适应的，在极端条件下，例如天线回波功率很大导致抵消结果值高于设定门限值时，程序自动对DA_Vset，Vctrl_P信号进行新一轮遍历，再次找到合适的DA_Vset与Vctrl_P信号电压值使载波消除后的结果值低于设定的门限值.

3.4主控制模块以及外设

本文的单片机采用ST公司的8位微处理器芯片STM8L，该芯片配置两个12位数模转换器(DAC)与多个12位模数转换器(ADC),电路不需要外接数模转换芯片与模数转换芯片，降低了电路的成本与复杂度.另外该微处理器调试简单，烧写方便，其串口将AD采集的数据发送到PC端，方便电路算法的实现.

4　电路测试结果

载波抑制电路的PCB使用4层板，电源层作为独立层减少电源噪声对射频信号的影响.另外，数字信号与射频信号地线分开，防止数字信号产生谐波以射频信号造成干扰.电路使用的测量仪器为Agilent E8257D矢量信号发生器、Agilent N6705B直流电源分析仪、Agilent N9010A频谱分析仪，其中E8257D矢量信号发生器产生的发射频率为922.5 MHz.载波抑制电路实物图如图6所示，TX端口是超高频阅读器发射机发射功率输入端口，环形器的端口2连接陶瓷天线，RX端口连接频谱仪测量载波消除电路抑制后的射频载波功率.载波抑制结果计算公式如下：

S=L-(R-G)，

(1)

式中：S为载波抑制结果，L为未加载波抑制电路时泄漏的射频功率，R为加载波抑制电路后RX端口射频功率，G为低噪声放大器增益.

Agilent N9010A频谱仪测得发射功率为20 dBm时，泄漏功率与RX端口功率如图7所示，根据式(1)，实际测量TX端口不同发射功率时载波抑制结果数据如表1所示.

图6　载波抑制电路实物图

图7　发射功率为20 dBm时泄漏功率与RX端口功率测量值

TX端口功率/dBm隔离度/dB泄漏功率/dBm低噪放增益/dBRX端口功率/dBm抑制结果/dB20.0021.2-1.1218.5-26.643.9823.0021.21.8018.5-23.443.7025.0021.23.9618.5-24.046.4627.0021.25.7918.5-20.244.49

从表1中可以看出，当TX端口发射功率增大时，泄漏到接收端的载波功率逐渐增加，RX端口功率值在-23 dBm左右，低噪声放大器增益为18.5 dB，所以总体上载波信号被抑制了45 dB左右.该电路测量数据有少许偏差，主要是由于陶瓷天线驻波受环境影响，但总体上满足阅读器需求.

5　结束语

本文参考了传统载波抑制电路方案的优点，提出新的载波抑制电路方案，同时设计了方案原理图并制作电路实物，最后通过实际测量发现，超高频RFID接收链路引入载波消除电路能有效地减少倒易混频的影响，降低解调器的直流偏置，提高阅读器接收机接收灵敏度.

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[5]倪熔华.超高频射频识别读写器接收机载波消除射频前端的研究与设计[D].上海:复旦大学,2008.

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The Design of UHF RFID Reader RF Front-end Carrier Suppression Circuit

LI Yilun1, YOU Bin1, DU Hongwei2, CHEN Junhui2

(1.InstituteofMicro-electronicsCAD,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.DepartmentofIOT,CETC52ResearchInstitute,HangzhouZhejiang310012,China)

Internet of things technology is one of the most potential technology in the century，ultra high frequency reader is an important part of the internet of things. This paper introduces and designs a new way to suppress the carrier power in the UHF RFID, the solution solve the problem that the transmitting power in the RFID transmitting part leak part of power to the receive chain of RFID, in this case, the SNR will be enhanced in a large scale. Firstly, the paper analyzes the reason of the problem and tells the circuit of automatic gain control and carrier suppression(AGCCS). After verification, we conclude that the carrier power could be reduced 45 dB than before, and it could be easier to realize than traditional solutions.

carrier suppression; ultra high frequency radio frequency identification reader; phase shifter; automatic gain control

10.13954/j.cnki.hdu.2016.01.002

2015-06-23

浙江省科技厅重点创新团队资助项目(2010R50010)

李议论(1991-)，男，安徽宿州人，硕士研究生，电路与系统.通信作者：游彬副教授，E-mail：youbin@hdu.edu.cn.

TN402

A

1001-9146(2016)01-0007-05