声表面波标签的相参阅读器设计

韩 宇, 陈智军, 曾庆化, 庞旗旗, 王春涛, 朱卫俊

(1. 南京航空航天大学 自动化学院, 江苏 南京 211106; 2. 中电科技德清华莹电子有限公司, 浙江 德清 313200)

0 引 言

声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)标签因其无线无源的特点, 在射频识别、 传感和定位领域都有潜在应用, 其基本原理是通过解算回波信号的时延、 相位、 频率、 幅值等信息反推当前待测量[1-3]。 由于相位测量比时延的精度高, 在实际应用时, 常采用解算相位的方式进行测量。 如在射频识别或传感时, 可通过反射栅间相对相位的变化进行信息解算[4]; 但定位时不仅关心反射栅间的相对相位, 更关注反射栅的绝对相位, 根据绝对相位与距离之间的关系实现测距并进一步定位[5-6]。

现有与声表面波标签匹配的阅读器通常采用超外差结构, 并且接收链路的本振通常采用与发射链路无关的独立本振, 发射链路则通过单刀单掷开关以产生固定时长的激励脉冲信号[7]。 由于整套系统非相参以及开关闭合时间的不确定性, 导致解算信号的回波相位为不确定值, 无法与距离建立明确的函数关系, 这限制了声表面波技术在测距、 定位等领域的进一步拓展。 本文在发射链路使用一分二功分器, 将信号源产生的高频信号分为相参的两路, 并将其中一路引入接收链路的下混频器作为本振信号, 不仅精简了电路结构, 更为重要的是解决了目前声表面波阅读器所测相位无法与距离等信息有效融合的问题。

1 设计原理分析

声表面波标签的结构与实物如图1 所示, 工作原理为: 阅读器发射查询脉冲信号, 经空气传播后由标签天线接收, 进入叉指换能器(Inter-digital Transducer, IDT); IDT通过逆压电效应将该电信号转化为SAW沿压电基底传播, 遇到反射栅后反射回IDT, 再由正压电效应转换回电信号(该信号称回波信号), 经天线发射出去并被阅读器接收; 阅读器通过对回波信号的解算, 得到时延、 相位等信息[8]。

(a) 结构

现有与声表面波标签匹配的阅读器结构如图2 所示[9]。

图2 现有与声表面波标签匹配的阅读器结构Fig.2 Existing reader structure for SAW

信号源常采用直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)和锁相环(Phase Locked Loop, PLL)组合的方案。 由于上、 下混频采用不同的本振, 因此, 使用PLL1和PLL2加以区分。 DDS为具有相位调制功能的信号发生芯片, 可设其产生信号为

Sd(t)=Adcos(ωdt),

(1)

式中:ωd,Ad分别为DDS产生信号的角频率和幅值。

PLL1提供的高频信号为

Sp1(t)=Ap1cos(ωpt+φp1),

(2)

式中:ωp为PLL1产生信号的角频率;Ap1为PLL1产生信号的幅值; 由于PLL不具有相位调制功能, 因此, 需要引入未知的初相位φp1。

DDS与PLL1产生的信号进行混频再经低通滤波后, 该信号为

(3)

声表面波标签需要高频脉冲进行激励, 通常采用单刀单掷开关对DDS与PLL混频后的信号进行截断, 以此得到高频脉冲信号, 称该信号为查询信号, 如图3 所示。 其表达式为

图3 查询信号

(ωp-ωd)ton+ωp1], (0≤t≤(toff-ton)),

(4)

式中:ton为开关闭合时刻;toff为再断开的时刻。 由于开关闭合的时间才有信号, 因此将开始有信号的时刻重新定义为0时刻。

查询信号由阅读器天线发射出去, 经空气中、 标签内传播后, 通过反射栅反射回波信号, 其表达式为

(ωp-ωd)ton+φp1], (0≤t≤(toff-ton)),

(5)

式中:Aα表示标签、 滤波器等器件对查询信号的幅度调制。 当回波信号进入下混频器时, 接收链路的PLL2所提供的下混频信号为

Sp2(t)=Ap2cos(ωpt+ωpttr+φp2),

(6)

式中:ttr=ton+tde,tde为查询信号发射出去到接收回来的时间, 该时间包括由空间、 SAW标签引发的延时,φp2为下混频器PLL2的附加相位,Ap2为PLL2产生信号的幅值。 由于PLL2与PLL1提供的频率一样, 故也采用ωp表示。

回波信号与PLL2产生的信号下混频并经低通滤波后的信号为

ωdton+φp1-φp2)。

(7)

对该信号进行解调, 最后解得回波相位为

φre=ωptde+ωdton+φp1-φp2。

(8)

可以看出, 上述回波相位中包含3个部分: ①ωptde, 此项可用于解算声表面波标签和阅读器天线之间的距离d; ②ωdton, 其与开关的调制时间相关; ③φp1-φp2, 该项是由于上、 下混频本振带来的附加相位。 其中, 由于控制芯片的工作频率远不及查询信号频率, 因此, 无法使用MCU在更为精确的固定时刻控制单刀单掷开关工作, 加之每次信号处理的时间也不同, 这就导致了每次开关闭合的时刻ton并不相同, 使得ωdton成为了一个变量; 同时, 由于上、 下混频采用不同的本振,φp1-φp2也无从得知, 最终导致解算的相位也为不确定值。 因此, 需要解决上述第2,3部分带来的影响, 使得所测回波相位为一确定值, 可用于与距离等待测量建立确定关系。

本文拟设计阅读器发射链路框图如图4 所示。

图4 阅读器发射链路框图

回波信号进入下混频器时, PLL2提供的信号为

(9)

回波信号经混频及低通滤波后的信号为

(10)

对其相位进行解算可得

(11)

2 设计方案实现

本文设计的阅读器整体结构如图5 所示。 其主要工作原理为: 在微处理器的精确时序控制下, 信号源产生的高频信号经一分二功分器分为两路, 一路经单刀单掷开关调制后产生查询脉冲, 并经功率放大后, 通过收发隔离开关传送至阅读器天线发射出去; 另一路送与下混频器处作为本振输入。 回波信号由阅读器天线接收后进入接收链路, 进行滤波、 放大、 解调和采样后, 送入微处理器进行时延、 相位等信息的解算。

图5 阅读器整体结构框图Fig.5 Reader overall structure block diagram

发射链路主要由信号源、 放大电路、 单刀单掷开关和一分二功分器构成。

本文采用双通道DDS分别输出正交的IQ两路信号, 以IQ调制上混频, 而后采用加法器相加的方式产生所需信号。 与常见的先使用单通道DDS与PLL进行混频, 然后用滤波器滤除低频项的方案相比, 本方案具有更简单的结构, 并且可以极大地抑制镜频干扰, 提高发射信号质量。

本文选用一分二功分器将信号源产生的高频信号分为同相的两路, 由此便可提供一相参信号用于信号解调, 这也是本相参阅读器能够完成绝对相位测量的核心环节。

由于信号源产生的信号功率较小, 达不到发射要求, 因此, 需采用放大电路对信号进行放大。 由于放大器一直工作在最大增益下, 容易烧坏芯片, 为保证稳定性, 并使得电路拥有一定的过冲能力, 在功分器前、 后分别使用一个放大器, 将增益均匀分配。 采用单刀单掷开关对信号源产生的信号进行截断, 产生查询信号。

接收链路主要由射频前端、 零中频滤波与信号采样电路组成。

射频前端负责对回波信号放大、 滤波。 放大电路选择低噪声放大器, 其具有较高的噪声抑制以及合适的增益系数。 滤波电路采用SAW带通滤波器, 其矩形系数和带外衰减较大, 可以有效抑制带外噪声, 从而提高回波信号的信噪比。

接收链路采用下混频器组成零中频架构, 并使用了正交解调方案, 解调原理为:

如对式(10)信号进行解调, 则令其为I路信号, 有

(12)

Q路信号为

(13)

可通过式(14)、 式(15)计算回波信号的幅值和相位

(14)

(15)

式中:A为回波信号的幅值;φ为回波信号的相位。

因此, 下混频器采用了一款内部集成了IQ混频器、 LO缓冲放大器以及高精度0°/90°正交移相器的IQ解调器, 其不仅具有良好的幅相不平衡度, 还具有良好的隔离度, 进一步保证了解调的质量。

为能够精确地采集到回波信号, 信号采样电路选择了采样频率为105 MHz, 位数为10 b的双通道ADC。

阅读器采用分时工作模式, 采用单刀双掷开关对发射、 接收链路进行控制。 为隔绝查询信号的干扰以及保证快速的响应, 选择了一款隔离度较高, 且切换时间较短的高速开关。

最终实际制作并焊接调试的阅读器如图6 所示。

图6 阅读器PCBFig.6 Reader PCB

3 实验测试与分析

本阅读器使用922.5 MHz作为发射频率, 并结合如图1 所示的单反射栅SAW标签进行测试。

3.1 发射链路测试

本文使用PLL产生882.5 MHz的信号与DDS产生的40 MHz信号进行混频, 可得到922.5 MHz的信号源输出信号, 测试结果如图7 所示。 测试结果表明, 信号源的输出信号频率准确, 镜频干扰抑制效果良好。

图7 信号源输出信号Fig.7 Output signal of signal source

本文需要采用一分二功分器将信号源的输出信号分为两路, 用以构成相参阅读器。 两路信号的测试结果如图8 所示, 功率分别为14.227 dBm与13.708 dBm。

图8 功分器输出信号Fig.8 Output signals of power divider

SAW标签需要使用如图3 所示的高频查询脉冲进行激励, 故需要将信号源输出信号进行截断。 为提升测试距离, 信号还需要达到一定的发射功率, 最终设定指标为: 信号时宽150 ns, 功率27.291 dBm。 查询脉冲测试结果如图9 所示, 发射信号达到指标要求。

图9 查询脉冲信号Fig.9 Query signal

3.2 接收链路测试

回波信号在传播过程中发生较大衰减, 会变得十分微弱, 需要使用放大器对其进行放大, 并使用滤波器滤除带外噪声。 在射频前端对滤波、 放大前后的回波信号进行测试, 结果如图10 所示。

(a) 滤波和放大前信号

从图10 可以看到, 在射频前端经历多级滤波与放大后, 回波信号功率从2.797 dBm增大到28.018 dBm, 实现了对微弱信号的功率放大, 且噪声抑制效果较好。

回波信号经放大后进入混频器混频至零频, 混频器输出信号如图11 所示。

(a) I+路输出

3.3 绝对相位测试

为验证本文设计的声表面波相参阅读器的有效性, 采用如式(14)、 式(15)所述的IQ解调方案进行了幅值、 相位测试, 测量结果如图12 所示。

(a) 幅值

图12(a) 中, 第1个峰值为回波信号, 同时还可以看到第2, 3个峰, 这是标签压电基底两端的边缘反射造成的。 图12(b) 中, 与图12(a) 的回波峰值出现时间对应的相位即为回波信号的绝对相位。

由于矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)采用扫频模式进行测量, 需对VNA的SAW标签测量结果进行逆傅里叶变换, 如图13 所示。

(a) 频域S11

为验证本文设计阅读器的有效性, 使用同一SAW标签进行多次测试, 阅读器与VNA测量结果对比如表1 所示。

表1 阅读器与VNA测量结果对比Tab.1 Comparison of the measurement results between the reader and the VNA

4 结 论

论文针对现有与声表面波标签匹配的阅读器所测相位为不确定值, 无法与距离之类的待测量建立明确函数关系的问题, 设计并实际搭建了一套声表面波相参阅读器。 首先, 从绝对相位的测量原理出发, 进行了推导分析, 给出了硬件设计依托的基本方法; 然后, 设计了阅读器的整体硬件结构, 给出了双通道DDS结合IQ调制上混频的信号源方案, 一分二功分器提供相参信号的方案, 以及零中频接收架构的实现方案; 最后, 测试了阅读器的发射、 接收链路, 并进行了时延、 相位测量, 将阅读器与矢量网络分析仪的测量结果进行对比, 证明了本阅读器的有效性。 本文设计的阅读器能够对绝对相位进行较为精确的测量, 同时具有成本低、 结构简单的优点, 可拓宽声表面波技术在测距、 定位等领域的应用, 具有较强的实用意义。