摘  要： 為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標簽時不受標簽方位的影響，本文基于Impinj R2000讀寫器芯片，使用RFMD公司生產(chǎn)的RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件設計。該模塊符合ISO18000-6C等物聯(lián)網(wǎng)相關主流標準，工作頻率范圍為860 MHz~960 MHz可調(diào)，各天線輸出端輸出功率大于30 dBm，可實現(xiàn)遠距離讀寫標簽。通過專用測試工具對模塊內(nèi)部寄存器進行相關設置后，可以實現(xiàn)4天線的讀、寫操作功能。最后，通過信號分析儀對各天線端在不同功率需求下進行了現(xiàn)場測試，同時在應用現(xiàn)場進行了實際應用。結(jié)果表明：4個天線端功率輸出功率高，輻射范圍大，讀取標簽距離遠，能滿足實際需求，具有很好的市場前景。

　　關鍵詞： 超高頻射頻識別；讀寫器模塊；R2000；4天線；RF1604DS

0 引言

　　射頻識別技術（RFID）是一種利用無線射頻技術在讀寫器和標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換目的的自動識別技術[1]。近年來，超高頻射頻識別技術（UHF）發(fā)展迅速，在國內(nèi)，UHF RFID的實際應用已涉及多個方面[2-3]。目前，已有一大部分企業(yè)自主研發(fā)出UHF讀寫器，如西安航天自動化股份有限公司、深圳遠望谷、深圳拙進等公司。

　　傳統(tǒng)RFID讀寫器僅限于單通道或2通道讀取標簽，這使得RFID讀寫器群讀能力、輻射范圍、讀寫方位等受限。因此，本文設計出4天線RFID讀寫器核心模塊，目的是提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍，讀取標簽時不受標簽方位的影響，實現(xiàn)瞬間內(nèi)讀取多張標簽，提高讀取標簽數(shù)量，以保證識別率，使用戶在較少設備下實現(xiàn)高性能的讀取效果，為用戶節(jié)省應用成本。

　　本文使用Impinj R2000讀寫器芯片完成標簽的讀、寫操作。為了提高射頻信號的功率，外部使用了功率放大器以增加射頻信號的發(fā)射功率。為了實現(xiàn)4天線射頻信號的輸入、輸出，采用了RFMD公司生產(chǎn)的RF1604芯片作為射頻開關。最后，根據(jù)現(xiàn)場需要，通過信號分析儀對各個天線在不同功率設置下進行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明：4個天線端功率輸出均能滿足現(xiàn)場需求，性能良好，符合設計要求。

1 RFID系統(tǒng)概述

　　典型的射頻識別系統(tǒng)一般由RFID標簽、RFID讀寫器、外置天線、應用軟件系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。其工作原理如圖1所示。

　　RFID系統(tǒng)的基本工作原理是[1-2]：RFID讀寫器可以通過外置天線發(fā)射出某一特定頻段的射頻信號；當攜帶載體信息的RFID標簽進入到讀寫器的讀寫區(qū)域時，在RFID標簽內(nèi)會耦合產(chǎn)生感應電流，進而將RFID標簽激活，從而使得RFID標簽攜帶的載體信息通過其內(nèi)置天線發(fā)射出去；當RFID天線接收到此信號時，將此信號傳送到RFID讀寫器進行解碼操作，完成了標簽的讀操作；RFID讀寫器可將解碼后得到的信息傳送到后臺應用軟件系統(tǒng)進行識別，進而可以控制相關執(zhí)行機構(gòu)的動作，以達到自動識別、自動執(zhí)行的目的。

2 讀寫器核心模塊設計

　　2.1讀寫器模塊架構(gòu)

　　4天線讀寫器模塊架構(gòu)主要由以下模塊組成[4-5]：Impinj R2000讀寫器芯片；主控單元ARM；功率放大器；射頻耦合器；4天線選擇網(wǎng)絡RF1604；各通信接口。具體如圖2所示。

　　2.2 RF1604簡介

　　RF1604是RFMD公司推出的新型單極四投（SP4T）開關，專為要求極低插入損耗、高功率處理能力和最低直流耗能的開關應用設計。

　　RF1604采用非常小巧的2.5 mm×2.5 mm、12引腳且無鉛的QFN封裝。其工作電壓為2.2 V~2.7 V，推薦工作電壓為2.5 V。在0.5 GHz~1.0 GHz時，RF1、RF2、RF3、RF4的插入損耗為0.4 dB~0.55 dB，最大控制功率為+36 dBm。

　　RF1604封裝圖如圖3所示。

　　各引腳功能如表1所示。

　　4天線選擇控制信號真值表如表2所示。

　　2.3 射頻輸出硬件電路設計

　　硬件電路設計如圖4所示，在射頻開關RF1604的射頻信號輸入、輸出端進行了阻抗匹配設計，在產(chǎn)品調(diào)試時可通過信號分析儀測得的射頻功率信號，通過調(diào)節(jié)線路上的阻容元件以實現(xiàn)輸入、輸出的阻抗匹配操作，保證信號在傳輸過程中能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳輸。

　　2.4 射頻輸出PCB設計

　　射頻信號在傳輸過程中，對PCB板的設計提出了更好的要求。如果設計不當，工作時會使電路板內(nèi)的電源電壓和地電平產(chǎn)生波動，導致信號波形產(chǎn)生尖峰過沖、衰減震蕩、反射、串擾等問題，嚴重影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和功能[6]。

　　因此，為了減小射頻信號傳輸線路上的回波損耗及消除串擾，在設計PCB時，從布局、布線兩個方面進行設計考慮。

　　另外，在布線時，采用了3W規(guī)則法。

　　2.5 基于ADS的系統(tǒng)仿真分析

　　在設計時采用ADS軟件進行阻抗匹配分析，使得輸出獲得最大的功率信號，提高產(chǎn)品的設計成功率，如圖5所示。

　　由圖5的Smith圓圖可以看出，射頻開關與各天線輸出之間的線路阻抗匹配，滿足設計要求。

3 四天線工作軟件部分設置

　　4天線UHF RFID讀寫器核心模塊設計完成后，軟件部分設置前向功率、反向功率，其校準曲線如圖6所示。

4 性能測試

　　RFID超高頻中國頻段為：920 MHz~925 MHz，根據(jù)實際現(xiàn)場需要，使用專用測試工具分別對1~4號天線的輸出功率、頻率設置為30 dbm、922.5 MHz。

　　為驗證4天線RFID讀寫器模塊的輸出功率，采用信號分析儀進行了現(xiàn)場測試，如圖7所示。

　　由圖7可以看出，4天線RFID讀寫器1~4號天線的輸出功率性能良好，輸出功率均能滿足設計要求。

　　采用矢量網(wǎng)絡分析儀測得超高頻RFID讀寫器模塊4個天線輸出端的Smith圓圖如圖8所示。

　　通過圖8可以看出，4天線RFID讀寫器4個天線輸出端在工作頻率為922 MHz時，其阻抗匹配接近50 Ω，符合設計要求。

　　另外，根據(jù)現(xiàn)場需求，對15 m以外的標簽進行了批量讀取，通過專用測試工具可以得到RFID讀寫器讀到的標簽類型及標簽數(shù)量，如圖9所示。

　　5 結(jié)論

　　為了提高RFID讀寫器的群讀能力、輻射范圍、讀取率，讀取標簽時不受標簽方位的影響，本文基于Impinj R2000讀寫器芯片，使用RFMD公司生產(chǎn)的RF1604DS芯片完成了一款4天線端口讀寫器核心模塊的硬件電路原理圖與PCB的設計。同時，對4天線工作時的軟件部分相關寄存器的設置進行了分析，最后通過信號分析儀對天線端在不同功率需求下進行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明：4天線UHF RFID讀寫器核心模塊具有良好的性能、輸出功率均能滿足現(xiàn)場需求，符合設計要求，具有很好的市場前景。

參考文獻

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　　[2] ZELLER K F.射頻識別技術（第三版）[M].吳曉峰，陳大才，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

　　[3] INC E P C. EPC radio-frequency identity protocols class- 1Generat ion-2 UH F RFID protocol for communications at 860 MHz~960 MHz[S]. 2004.

　　[4] 章小城，向偉，徐丹.基于Intel R1000芯片的超高頻手持式讀寫器設計[J].計算機與數(shù)字工程，2008，36（9）：198-200.

　　[5] 黃志敏，李鵬，高遠.基于Intel R1000的超高頻RFID讀寫器設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009，6（16）：57-60.

　　[6] 黃會雄，袁海鷹.射頻電路PCB板電磁兼容設計方法與技巧[J].產(chǎn)品測試與解決方案，2009，6（16）：57-60.