一种应用于射频识别阅读器的微带移相电路设计*

张 莉 ，陈 琼 ，李秀平，王善进*

(1.惠州学院电子科学系，广东 惠州 516007;2.东莞理工学院电子工程学院，广东 东莞 523808)

射频识别技术(RFID)是一项利用电磁波通过空间耦合进行无接触信息传递，从而实现目标识别的技术。阅读器、天线和电子标签是构成射频识别系统的三个主要部分，一个更为完整且实用的RFID系统还必须包括计算机、接口电缆、应用软件等，甚至包括通过internet 相连的多个RFID 系统。RFID技术的数据信息非接触传输特点，使之特别适合物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合。

RFID 系统阅读器的电路一般由射频信号发射、射频信号接收、天线以及基带数字信号处理等几部分组成，信号的工作频率为915 MHz，也可以采用国际通用的ISM(工业、科学、医药)公用频段等。系统通信采用阅读器讲话优先原则，工作时先由阅读器发出一系列的读标签指令，当电子标签被阅读器天线发出的电磁场激活后，如果能正确解调出接收的指令，则将本身的ID 信息等数据通过反向散射的调制方式回发给阅读器，阅读器经过分析处理若能得到正确的标签ID 信息，便完成了目标的识别。

电子标签返回信号的有效接收和准确解调是实现系统功能的关键步骤之一。鉴于超外差接收机电路在设计复杂度和成本等因素上的考虑，RFID 阅读器在选择接收机电路时往往采用零中频接收机方案。该方案的优势在于成本低廉，电路结构相对简单，四通道接收电路是常用的一种形式。信号移相电路是其中的一个重要组成部分，它的功能是通过改变射频信号的相位，达到信号的多路分离，然后将这些相位不同的信号送往其它的电路单元进行解调处理分析，从而得到标签的信息，其中相位改变的精确度将直接影响到信号的准确解调。改变信号的相位需要利用移相电路，它可采用分立元件电感、电容实现，也可利用微带线来实现。低频的情况下，采用分立元件能大为减小PCB 布板之面积，所以采用分立的电感、电容来设计移相电路是常用的方案。但随着信号频率的不断攀升，器件分布参数的影响将愈加显著，此时采用微带线理论来设计移相电路便成为了必需［1，3－4］。本文设计了915 MHz 射频识别阅读器中的微带移相电路，其中精确分析了电路结构各参量对移相性能的影响，最后通过实际电路检验了设计效果。测试表明，本电路能完全满足系统的指标要求，采用这种移相电路的RFID 阅读器工作正常，性能良好。

1 原理

1.1 四通道零中频检测技术

如图1所示为RFID 阅读器四通道零中频接收电路原理图，其中移相电路由微带线设计而成，见图2所示。为简单起见，假设微带线等间距S 排列，且通过A点的射频本振信号是:

图1 四通道零中频接收电路

图2 微带移相电路

该信号经过微带线依次达到B、C和D点，如果图中每相邻两点之间的电长度使该信号顺序产生ψ 的相位差。这样射频本振信号到达B、C和D点时，将分别为

而标签返回的信号首先经过电路中的D点，它可描述为

该信号经过三级移相，在C、B、A点分别形成信号如下:

在电路的A、B、C和D 各点，输入混频电路的信号除了射频本振信号外，还有标签返回的信号。它们各自相互混频后再滤掉高频成分，将分别获得如下信号

显然，v′A和v′C之间，以及v′B和v′D之间的相位差均为4ψ，如果移相电路能准确保证相位ψ=π/4，则信号v′A和v′C，以及v′B和v′D将是反相信号，将它们输入差分放大器G1和G2进行放大，在输出端就分别能得到两路相位相互正交的IQ 信号，从而就能保证系统一定能收到有效的标签返回信号。

1.2 微带线移相电路的设计

设微带线的宽度为W，介质基板的厚度为h，相对介电常数为εr，底板为金属接地板。考虑到微带处在非均匀的介质当中，可假设存在一种相对介电常数为εeff的均匀介质，用以替代原来微带线周围的空气(相对介电常数为1)和介质基板(相对介电常数为εr)，同时能保持微带线的特征阻抗不变。

当微带线厚度t 远小于介质基板厚度h 时，如果w/h ＜1，该等效相对介电常数εeff可 表达为［1，3，5－6］

相应的微带线特征阻抗表为:

式中η0=120π，为自由空间波阻抗。

如果w/h ＞1，则等效相对介电常数εeff可表达为

相应的微带线特征阻抗为

微带线厚度t 的增加会使微带线侧面与金属底板之间的电容效应不容忽略，如果考虑到微带线的厚度t 的贡献，微带线的特征阻抗Z0将略有降低。同时，随着微带线的w/h 的值越来越小，微带线的厚度t 对特征阻抗Z0的影响也将变得显著起来。

显然介质板材的εr及厚度h、金属导带的厚度t及宽度w 均可影响到微带的电气性能，为此利用高频结构仿真软件HFSS 来进行进一步的分析［2］。图3为实现90°相位移动的微带移相电路的HFSS模型图，分析得到保持微带线总长度不变，通过改变介质基板的厚度h 的电路散射参数S21的变化曲线，如图4所示。

图3 微带移相电路模型

图4 介质厚度h 对S21的影响

信号频率f=915 MHz，微带金属导带宽度w=1.4 mm，金属导带厚度t=17.5μm，介质基板相对介电常数εr=4.6。从图中可见，随着介质基板的厚度h 从0.6 mm 增加到1.4 mm，微带移相电路的散射参数S21呈现先上升后下降的规律，且在大约h=0.8 mm 处趋近于零，取得了最佳值，这提示在具体的电路设计时，PCB 板材厚度的选择需要有具体的考虑。图5为S21随金属微带厚度t 的变化曲线，曲线显示微带线金属导带厚度t 在17μm～27.5μm范围的变化对散射参数S21的影响不大，说明一般情况下可不计微带线厚度对电路性能的影响。

图5 金属导带厚度t 对S21的影响

图6 则反映了介质基板材料的相对介电常数对S21的影响，曲线显示当εr从4.6 变到10.2 时，产生90°相移的微带线，其S21将近有0.5 dB 的改变量，这表明介电常数对电路传输特性的影响还是比较明显的。同时曲线也显示，图示条件下选取εr=4.6 的基板材料可使信号无衰减地通过。

图6 相对介电常数εr对S21的影响

图7 显示，当微带线间距S(参见图4)由1 mm增加到2 mm 时，S21将趋于零，然后虽然S 由2 mm逐步增加，但S21将基本维持不变。

图7 微带间距S 对S21的影响

图8 则是工作频率上升到5.8 GHz 后的情况，和图7 不同的地方在于，微带线间距S 必须由1 mm增加到3 mm 后，S21才能趋于零且保持不变，同时其变化量比前者更剧烈，达到1.2 dB。这些现象说明了两个问题，一是工作频率越高，微带线的间距就必须设计的更宽，才能保证信号的顺利通过;二是不管频率高低，一旦间距大于某个数值后，这种影响将可忽略不计。

图8 微带间距S 对S21的影响(f=5.8 GHz)

图9 给出了电路相移随介质基板厚度的变化曲线。仿真建模取值与图4 相同。从图9 可见，介质基板厚度对相移的影响是明显的，当介质厚度增加时，相位的改变量将变小，约在h=0.83 mm 时，取得了90°的相移。

图9 介质厚度h 对相移的影响

图10 反映了相移随介质基板相对介电常数εr的变化趋势。曲线表明，当介质基板相对介电常数增加时，相位的改变量将变大，在εr=4.6 时，电路取得了90°的相移。与前面图5 中微带线金属导带厚度t 对S21的影响描述相对应。

图10 相对介电常数εr对相移的影响

图11 给出了微带线金属微带厚度t 从17.5μm增加到27.5μm，相移的改变情况，曲线显示这种变化是微小的。

图11 微带线金属导带厚度t 对相移的影响

图12 的曲线描述了相移随微带线间距的变化情况。从图中可见，虽然微带线的长度保持不变，但如果改变微带的形状使其间距缩窄，会导致相移的减小，这显然将影响到后面信号的解调。

图12 微带线间距S 对相移的影响

2 应用实例

如图13所示为根据上述分析设计的一款工作于915 MHz 的RFID 阅读器的射频前端电路，其中利用微带移相电路对信号进行相位改变，工作性能良好。

图13 RFID 阅读器中的微带移相电路

3 结语

给定介质板材特性和厚度，利用式(14)或式(16)将可获得具有合适特性阻抗的微带线结构，再依据信号的频率和所需的相移，便可得到合适的微带线长度，从而设计出微带移相电路。然而从上面的讨论可知，实际上微带线电路的传输系数和相移受到电路众多参数的影响，所以在设计微带线移相电路时，首先可根据信号频率等要求选取合适的介质基板材料，如Rogers 5880 板材等，然后依据选定板材的具体厚度以及所需的特性阻抗确定微带线宽度，兼顾金属导带的具体厚度，确定产生目标相移的微带线长度，最后借助HFSS 进行电路仿真，反复优化S21及相位指标，最后完成设计。

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［2］李明洋.HFSS 电磁仿真设计应用详解［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

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