新的天線匹配技術(shù)如何讓HF-RFID實(shí)現(xiàn)運(yùn)行

各地的電子制造商不斷努力實(shí)現(xiàn)基本流程的自動(dòng)化。 RFID天線調(diào)諧是另一個(gè)手動(dòng)過(guò)程，很快就會(huì)成為歷史。

RF電路設(shè)計(jì)的主要困難之一是保持天線和收發(fā)器之間的良好匹配。在實(shí)驗(yàn)室中調(diào)整系統(tǒng)可能很方便，但實(shí)驗(yàn)室中的條件很少反映系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中會(huì)遇到的情況。安裝后，系統(tǒng)性能會(huì)受到環(huán)境條件的極大影響，例如設(shè)計(jì)與金屬或水的接近程度。

高頻RFID（HF-RFID）應(yīng)用很容易受到這種影響。遺憾的是，傳統(tǒng)的HF-RFID組件沒有為用戶提供調(diào)整設(shè)備以補(bǔ)償環(huán)境條件的手段。修整是一種耗時(shí)，手動(dòng)且昂貴的工藝流程。

HF-RFID系統(tǒng)工作頻率為13.56 MHz，受全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)管轄：

ISO 14443 A/B （4，5） - 接近或短距離，最大約75 mm。

ISO 15693 （6，7） - 附近或中等范圍，最大約1 m。

ISO 18092 （8） - 近場(chǎng)通信（ NFC）。用于通信讀取器到讀取器或讀取器到NFC設(shè)備。

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義標(biāo)簽的特征，包括：

物理特性

射頻接口（ISO 14443）

初始化和防沖突（ISO 14443）

空中接口和初始化（ISO 15693）

傳輸協(xié)議（ISO 14443）

其他協(xié)議（ISO 15693）

應(yīng)用程序/用戶注冊(cè)（ISO 15693）

可以設(shè)計(jì)一個(gè)多標(biāo)準(zhǔn)閱讀器與任何HF-RFID應(yīng)答器（也稱為標(biāo)簽）進(jìn)行通信。讀者將能夠讀取和寫入標(biāo)簽。在ISO 14443和ISO 15693系統(tǒng)中，標(biāo)簽將由讀取器廣播的RF場(chǎng)的能量供電（參見圖1）。

HF-RFID的各種標(biāo)準(zhǔn)隨著方式的多樣化而發(fā)展組織希望利用它。例如，RFID可用于固定和移動(dòng)應(yīng)用。在固定安裝中，讀者必須能夠在許多不同材料的存在下運(yùn)行。

圖1：典型RFID應(yīng)用的簡(jiǎn)化架構(gòu)。

在門禁系統(tǒng)中，例如，讀卡器通常位于門口。它可以與金屬，玻璃，木材或復(fù)合材料相鄰，并且每個(gè)都具有不同的RF特性。顯然，讀卡器的射頻電路需要一種方法來(lái)補(bǔ)償這些材料的影響，以確保在每個(gè)位置都能正常工作。手持閱讀器（如用于支付終端，牲畜跟蹤系統(tǒng)等）的環(huán)境可能不同，因?yàn)樗鼈儽仨殤?yīng)對(duì)，例如，雨水，濕度以及人體和動(dòng)物體的接近度。但是，天線微調(diào)的要求是相同的。

RFID閱讀器的基本構(gòu)建模塊是天線，射頻部分和控制器。良好的系統(tǒng)性能要求RF部分和天線之間匹配。由于HF-RFID系統(tǒng)對(duì)天線系統(tǒng)使用RLC振蕩電路（見圖2），因此需要進(jìn)行天線調(diào)諧。

振蕩電路的頻率由下式定義：

電阻器的目的是確定儲(chǔ)能電路的帶寬和“Q”。 “Q”值得注意。如果選擇的值太小，則信號(hào)將受到過(guò)度衰減的影響。如果該值太大，則噪聲可能是個(gè)問題。例如，對(duì)于ISO 14443，Q值為13是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這是因?yàn)樗鑾挒?48 kHz（Fb）。這由以下公式定義：

實(shí)際計(jì)算結(jié)果是Q為16.需要額外的余量來(lái)最小化信號(hào)的衰減。

現(xiàn)在可以計(jì)算R的值。所需的值將由以下公式確定：

由于這是一個(gè)并聯(lián)電路，必須考慮電感和電容的有效電阻，因此R可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

由于每個(gè)組件的公差，必須在使用閱讀器之前校準(zhǔn)共振頻率。這通常通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)在電路中的可變電容器來(lái)完成。這種調(diào)整過(guò)程非常耗時(shí)。制造工程師不喜歡手動(dòng)流程，因?yàn)樗鼈兂杀靖?，容易受到人為錯(cuò)誤的影響。此外，生產(chǎn)線中的環(huán)境可能與其最終位置中的環(huán)境不同，因此系統(tǒng)可能需要在安裝后重新調(diào)整。在系統(tǒng)上線之前，這需要更多的時(shí)間和金錢。最后，可調(diào)電容器會(huì)隨著時(shí)間的推移而漂移，并且可以使系統(tǒng)處于關(guān)閉頻率。

作為易于使用的軟件控制系統(tǒng)的一部分，自動(dòng)化天線調(diào)諧過(guò)程的讀取器IC消除了所有這些問題。 》具有自動(dòng)天線管理功能的讀卡器集成解決方案的一個(gè)很好的例子是ams的AS3910 HF-RFID讀卡器IC。它對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)調(diào)整是通過(guò)系統(tǒng)控制器發(fā)送的命令以數(shù)字方式執(zhí)行的。軟件控制不僅簡(jiǎn)化了調(diào)整，還允許用戶在需要時(shí)輕松地重新調(diào)整系統(tǒng)以提高現(xiàn)場(chǎng)性能。

數(shù)字調(diào)整很容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)諧序列開始時(shí)，在禁用調(diào)諧電容的情況下進(jìn)行初始測(cè)量。如果系統(tǒng)不共振，則電容增加。該過(guò)程一直持續(xù)到達(dá)到天線共振。在AS3910中，此過(guò)程僅使用兩個(gè)命令實(shí)現(xiàn)，即檢查天線諧振和校準(zhǔn)天線諧振，這些命令被硬編碼到設(shè)備中。相位檢測(cè)器用于測(cè)量發(fā)送器輸出信號(hào)和接收器輸入之間的相移。當(dāng)達(dá)到90度的相移時(shí)，系統(tǒng)正確匹配。低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)器可配置為直接驅(qū)動(dòng)單端或差分天線系統(tǒng)（見圖2）。

圖2：AS3910可配置為驅(qū)動(dòng)單端或差分天線。

校準(zhǔn)天線諧振命令允許用戶優(yōu)化天線性能，既簡(jiǎn)化了制造過(guò)程又允許對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失諧進(jìn)行一些補(bǔ)償。首次執(zhí)行該命令時(shí)（禁用微調(diào)電容），測(cè)得的頻率將高于13.56 MHz。接下來(lái)，器件在Trim1_0中切換并測(cè)量諧振頻率。每個(gè)開關(guān)和測(cè)試步驟大約需要10μs。接下來(lái)，AS3910將切換調(diào)整電容，直到達(dá)到13.56 MHz的諧振頻率。理想情況下，這將通過(guò)插入的微調(diào)電容器2和3實(shí)現(xiàn)。如果天線失諧，這允許更高或更低的調(diào)整。用于諧振的微調(diào)電容器的位置存儲(chǔ)在天線校準(zhǔn)寄存器中。如果在切換所有微調(diào)電容器后無(wú)法實(shí)現(xiàn)諧振，則天線校準(zhǔn)寄存器會(huì)顯示一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志，提醒用戶校準(zhǔn)錯(cuò)誤已發(fā)生且應(yīng)檢查系統(tǒng)。

降低成本并提高性能》 HF-RFID讀取器中RF電路的數(shù)字校準(zhǔn)具有在對(duì)RF不利的環(huán)境中改善RF性能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了產(chǎn)品的制造成本。正如AS3910所示，可以通過(guò)優(yōu)雅和簡(jiǎn)單的軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字修整。各地的電子制造商不斷努力使基本流程自動(dòng)化。 RFID天線調(diào)諧肯定是另一個(gè)手動(dòng)過(guò)程，很快就會(huì)成為歷史。