超高频RFID读写器射频电路设计

王 烁

（天津科畅慧通信息技术有限公司，天津 300000）

RFID技术，目前应用在IC卡、磁卡、条码、摄像等自动识别技术中。在其应用的过程中，充分展现了其自身的优势：非接触操作，不会产生人为因素的干扰；不会产生机械磨损的现象，具有较强的适应性；能够识别高速运行的物体，或者同时识别不同的电子标签；读写器不对用户直接开放，可以确保信息的安全性；部分数据能够实现算法管理；标签、读写器之间可以相互认证，完成信息的存储、通信。

1 超高频RFID读写器射频电路仿真

1.1 发送系统仿真

结合读写器发送电路的基本原理，本文对其进行仿真设计。

（1）信号瞬态仿真。以ADS射频仿真软件为依托，构建瞬态仿真平台，对发送信号进行动态、实时仿真。通过这一方式，读写器发送端对基带信号进行了99%深度系数的调制，且最终的结果符合相关的要求。

（2）发送系统包络仿真。电路包络仿真是当前通信行业的关键指标，对任何高频信号都能够进行分解处理。所以，采用包络仿真对RFID读写器进行及时仿真，载波包络仿真的结果并没有发生失真的现象。

（3）相位噪声仿真。锁相环频率合成器，在运行的过程中会产生一定的噪音，其影响着读写器射频电路的性能。对此，同样使用ADS仿真软件，依据其振动的频率，进行相位噪声仿真，以便于掌握相位噪声所产生的影响。基于仿真结果，发现相位噪声满足RFID射频电路的性能要求。

1.2 接收系统仿真

在超高频RFID读写器中，其射频接收电路，使用双通道零中射频接收体系。依据ISO18000-6C的要求，本文对射频电路的接受系统，进行ADS仿真设计。

（1）频带选择性仿真。读写器、标签之间的通信频率，通常在860～960 MHz，加之国家的相关规定，860～960 MHz频段的RDIF技术，通常会使用920～925 MHz或者840～845 MHz的频率。为了能够保证所设计的系统，满足国家频段划分、国际频段划分的双重要求，需要将频段定在902～928 MHz。然后通过ADS仿真软件对其进行仿真，同时将Chebyshev滤波器应用其中。结果显示：选择恰当的滤波器，能够避免外界所产生的干扰。

（2）信道选择性仿真。ISO18000-6C对密集读写器信号邻道的干扰，进行了详细的规定，即小于-30 dBch。读写器接收端信道功能，需要利用滤波器进行完成，并对仿真的参数、指标进行确定。结合仿真的原理与结果，会在915 MHz的位置增益9.5 dB，且为最大增益；而在914.6 MHz的位置，增益为-38 dB。所以，读写器接收信道外衰弱大于40 dBm，符合相关的规定[1]。

（3）谐波仿真。就ADS谐波仿真来说，其功能主要表现在两方面，即详细描述接收机频谱搬移特性、观察谐波的干扰与杂散抑制。在接收系统中，其频率为915 MHz，功率设定为-3 dBm。同时，将接收信号的频率设定为915.1 MHz，而功率为-20 dBm。通过对系统的仿真，对接收信号进行观察等，进行详细的观察、分析，发现其结果符合国际规定，同时减少了对信号的不良干扰。

（4）瞬态仿真。基于ADS射频仿真，将读写器的接收信号设定为OOK调制信号，同时其载波的频率为915 MHz。经过仿真载波信号会经历变形，但是最终的结果证明了系统具有较强的可行性。

（5）增益预算仿真。为了掌握系统各部分的增益情况，同样能够采用ADS增益预算仿真技术，完成对分析平台的仿真。最终测试的结果显示：如果使用滤波器，其增益为-2 dB，而噪声放大器所获取的增益，实际上为15 dB。通过预算增益图能够发现各个系统的具体增益，便于工作人员进行更加合理的分配。

2 超高频RFID读写器射频电路PCB设计

2.1 焊盘设计

PCB设计中，超高频RFID读写器射频电路的焊盘，其设计方式主要包括以下几点内容。

（1）PAD设计。PAD属于元件的物理焊盘，其在设计的过程中，如果此时为正片层，就需要通过Regular pad完成连接。反之，如果此时为负片层，就需要通过Thermal relief完成连接，同时使用Anti pad进行隔离。在PAD的设计中，需要根据实际封装的尺寸，确定其各部分的实际大小，工作人员可以使用PCBNLP Calculatior V2009，或者参照《IPC-Sm-782A Surface Mount Design and Pattern Standard》的尺寸，从而提高设计的合理性[2]。

（2）其他层设计。在焊盘中，除了PAD层，还包括助焊层、阻焊层、预留层。其中，助焊层在设计的过程中，基本上会使用钢板，结合PCB对应的元器件完成打孔，此时锡膏漏下的时候就能够完成焊接。同时，还应该保证助焊层的尺寸等于Regular pad的大小。对于阻焊层来说，其实际就是绿油的部分，其映射在板子上的则是露出的铜皮，为了能够增加其厚度，则增加阻燃层，以此来满足相关要求。预留层主要是便于用户添加信息，尺寸与Regular pad相同。

2.2 封装设计

在PCD的设计中，必须提前设计好各个器件的封装。采用Allegro完成封装库的建立，检查各个部件的参数，然后与焊盘进行连接，最后进行直接导入。具体来说，在封装设计的过程中，需要注意以下几点。

（1）由于大多数的封装，均为标准设计，所以可以采用标准的设计方式，或者利用PCBNLP Calculatior V2009软件的相关标准。

（2）如果在设计中，发现封装的参数等，并非标准数据，那么就应该采用datasheet中所提供的封装，完成相关的设计。

（3）在封装设计的过程中，必须认真、仔细，尽可能避免发生焊盘尺寸、编号的误差，以此来保证试验的有效性。

2.3 布线设计

设计RF电路的过程中，传输线的布线方式，直接影响着射频信号的性能。对此，本文对射频PCB传输线进行如下的设置。

（1）阻抗匹配设计。对于信号无损传输、完整性来说，传输线阻抗匹配是重要的保障。由于射频元件的阻抗等于50 Ω，所以需要保证传输线同样等于50 Ω。由于传输线的阻抗，受导线厚度、介质常数、所在层厚度、阻焊层厚度等因素的影响，所以需要使用Polar Si8000软件计算。

（2）走线规则。在设计中，线路布设应该践路径最短、避免变形的基本原则，以此来降低损耗。同时，信号间的传输距离，还需要落实3-W的原则，从而避免紧邻的传输线产生磁通耦合的现象[3]。

（3）减少信号回流路径。在PCB布线的过程中，需要减少信号回流的路径，从而最大限度地减少高频辐射。在高速信号传播的过程中，信号的流向为：从驱动器开始，沿着PCB传输线，然后到负载，并沿着电源最短线路，返回驱动器端。

2.4 PCB布局

在电路设计中，合理的布局能够增强电磁兼容性，其主要方式为：

（1）固定零组件。在对读写器射频电路的器件进行布局设计时，需要对RF路径的零组件进行固定，同时对其方位进行调整，缩短RF的路径，避免电磁干扰。

（2）布局对称。在本设计中，由于使用了双通道零中频接收体系，所以在布局的过程中，就应该保证通道器件、布线的对称性，降低相位误差。

（3）电源去耦电路。在PCB的设计中，恰好、有效的芯片电源去耦电路，对于射频电路设计具有关键性的作用，能够增强电路的稳定性。

2.5 接地过孔

由于导体中总是存在阻抗，所以为了能够降低偏离的程度，优化超高频RFID读写器射频电路，在接地过孔的环节中，就应该做到以下几点：

（1）增加导体的截面，即增加铺地的面积、层数。为了能够减小泄露耦合磁通，应该保证电源平面的物力尺寸，小于地平面尺寸的20 H。

（2）保证高频电流通过的路径，为所有路径的最短距离，同时保证信号传输的地铜箔，为无迂回、无割裂的状态。

（3）在铺地时，地铜箔应该距离其他的电气网10～20 mil，具体需要根据当前PCB的密度进行确定。

（4）在PCB的边缘，需要以成排的方式放置过孔，间距在3 mm左右，从而降低地铜箔的阻抗，并基于屏蔽优化散热效果。

3 结语

综上所述，超高频RFID读写器，其具有较强的实用性，能够应用在很多不同的领域中，需要对射频电路进行优化设计。将其作为基础，需要超高频RFID读写器射频电路的系统，进行合理的仿真设计，并进行PCB设计，进而优化电路系统，优化RFID的技术性能。基于本文的分析与论证，文中所提及的设计方式，具有较强的可行性，可以应用在射频电路的设计中。