有源RFID系統(tǒng)的設計與應用

最近在低頻接收機設計方面的改進降低了功耗，同時提高了接收機性能，有望擴大可實現(xiàn)有源RFID系統(tǒng)的應用范圍。

RFID（射頻識別）是一種流行的應用技術例如資產(chǎn)跟蹤和后勤支持，以及監(jiān)控和訪問控制，它們有時也被稱為“實時定位系統(tǒng)”。到目前為止，大多數(shù)遠程RFID實施都采用了超高頻（UHF）讀卡器工作在915 MHz頻段，與無源標簽相結(jié)合。沒有自主電源的無源標簽從閱讀器發(fā)出的電磁輻射產(chǎn)生能量，并通過改變它們的阻抗（反向散射）與閱讀器通信。因此，無源標簽的范圍有限。但是，某些RFID系統(tǒng)需要在對RF傳輸具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運行，例如深礦，金屬集裝箱內(nèi)部和內(nèi)部建筑物墻壁砌體當無線電信號必須穿過諸如巖石，液體，磚石或金屬等障礙物時，難以通過無源RFID系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)健可靠的傳輸。

對于此類應用，系統(tǒng)開發(fā)人員必須使用有源RFID系統(tǒng)，其中標簽包括自己的電池電源。這樣就可以將有源傳輸返回到讀取器的高功率UHF信號，這可以始終如一地實現(xiàn)比無源標簽所能提供的更長的范圍。

圖1：有源標簽的系統(tǒng)框圖有源RFID系統(tǒng)（圖1）的基本作用是由低頻（LF）接收器播放，該接收器喚醒系統(tǒng)并觸發(fā)UHF傳輸。本文探討了LF接收器設計的最新增強功能，這些功能可在降低功耗的同時提高接收器性能，有望擴大有源RFID系統(tǒng)的應用范圍。

有源RFID標簽設計人員面臨的主要挑戰(zhàn)是非常長的電池壽命和長距離 - 乍一看似乎彼此沖突的兩個要求。同時，標簽必須適合小尺寸，因此使用大電池實現(xiàn)長電池壽命并不是一個可行的選擇。

這些限制解釋了為什么圖1所示的系統(tǒng)架構已經(jīng)發(fā)展。詢問器（基站）由LF發(fā)射器和UHF接收器組成，而標簽由LF喚醒接收器和UHF發(fā)射器組成。詢問器周期性地（通常每秒一次）發(fā)送LF模式。在傳輸之后，UHF接收器被打開以檢查來自標簽的回復。在標簽處，只有喚醒接收器在正常操作中有效;每當標簽在詢問器的范圍內(nèi)時，接收器在檢測到它識別的模式時喚醒UHF發(fā)射器（上行鏈路）。只有這樣，UHF發(fā)送器才能將明確識別標簽所需的信息傳送給詢問器。這種架構允許UHF無線電幾乎連續(xù)地保持在斷電模式因此，就功率而言，LF接收器是最重要的元素，因為它是唯一必須始終保持活動的元素。靈敏度是LF接收器的另一個關鍵參數(shù)，因為目標應用中的信號可能會因距離和物理障礙而衰減。

對于有源標簽，電池壽命要求是三年（最?。?，來自簡單的紐扣電池等作為CR2032。這種約束意味著標簽的電流消耗應限制在接收模式下的電池漏電流以下。這反過來又使得工作頻率的選擇變得非常重要。為了實現(xiàn)低功率要求，接收器必須在《300 kHz下工作。如今的RFID系統(tǒng)通常使用125 kHz或134 kHz頻率。這就產(chǎn)生了無線電實現(xiàn)中的第一個挑戰(zhàn)：在如此低的頻率下，波長很大，需要相應大的天線。成功的設計使用環(huán)形天線，其僅感測磁場（H）。環(huán)形天線本質(zhì)上是由鐵氧體線圈組成的電感器。如圖2所示，基站中的LF發(fā)射器和標簽中的LF接收器一起工作就像一個變壓器，其中發(fā)射器處的電感器是初級線圈，接收器處的電感器是次級線圈。

圖2：使用磁耦合的傳輸方案。為了增加發(fā)射器產(chǎn)生的磁場和接收器拾取的電壓，兩個線圈都用電容器調(diào)諧，以便在載波頻率。可以使用并聯(lián)電阻器對諧振器進行衰減，以增加天線的帶寬。有效調(diào)諧是提高LF接收器靈敏度的一種措施，但使用環(huán)形天線會帶來另一個問題。由于天線感測磁場，因此基站（發(fā)射器）和接收器之間的方向具有重要影響。電磁理論規(guī)定，如果兩個線圈在空間中顯示90度相移（圖3），則次級線圈上的感應電壓理論上為零。

圖3：磁耦合系統(tǒng)當Rx天線相移90度時，感應電壓為零。

在一些精確控制的應用中，發(fā)射器線圈和接收器之間的相互定位將是固定的和可預測的：這里確保了有效的通信只要這個固定位置使讀卡器的天線和標簽的天線在讀取階段彼此平行。如果相互方向不固定且不可預測，則接收器需要一個由三個相互正交的天線組成的三維天線陣列（圖4）。

此處描述的載波頻率調(diào)諧和三維天線的組合不僅擴展接收范圍，還允許生成可靠的接收信號強度指示器（RSSI）測量。 RSSI信息在某些應用中很有用，因為它提供了標簽和基站之間距離的估計

圖4：有源標簽內(nèi)部的三維正交天線陣列。

上述架構可以可靠地滿足所需的低平均電流消耗，但是，假設UHF發(fā)射器幾乎是永久停電。這意味著喚醒接收器必須能夠拒絕由噪聲或干擾產(chǎn)生的錯誤喚醒呼叫。在詢問器中實現(xiàn)代碼或模式生成功能以及接收器中的模式識別功能解決了這個問題。

有源標簽在實踐中的性能

通常有源標簽使用容量約為200 mAh的單個紐扣電池和預期的最小值一生是三年。這意味著平均總電流消耗約為7.6μA。假設UHF發(fā)射器平均使用了一半的電流，喚醒接收器可以吸收3.8μA的最大電流。

系統(tǒng)范圍的主要限制因素是喚醒接收器的靈敏度。復雜的LF喚醒接收器應提供至少100μV的靈敏度。有源標簽即使在惡劣的環(huán)境中也能提供非常強大的性能：使用的低頻可以穿透甚至極厚的墻壁。即使輸出功率低至0 dBm，標簽的UHF傳輸通常也會覆蓋所需的范圍。

最新的實現(xiàn)LF喚醒接收器的方法是奧地利微電子公司最近推出的AS3933 LF喚醒接收器。在關鍵參數(shù)方面，AS3933在1.7μA的三通道聆聽模式下提供典型的電流消耗，典型的喚醒靈敏度為80μVrms，比最接近的競爭產(chǎn)品高出十倍以上。喚醒中斷只能通過頻率檢測觸發(fā)，但為了保證誤喚醒抑制，器件包含一個集成的相關器，可檢測可編程的16位或32位曼徹斯特喚醒模式。

頻率調(diào)諧是一項重要的技術。提高靈敏度和有效范圍; AS3933使用片上調(diào)諧電容實現(xiàn)自動調(diào)諧功能。這降低了材料成本，因為不需要外部高精度調(diào)諧電容器，并且還可以簡化生產(chǎn)線上的天線檢查。此外，片上天線調(diào)諧功能為最終用戶提供了檢查標簽和閱讀器之間連接狀態(tài)的方法。