4天线超高频RFID读写器核心模块设计

张亚军，陶 怡，胡建晨（西安航天自动化股份有限公司，陕西　西安 710065）

4天线超高频RFID读写器核心模块设计

张亚军，陶 怡，胡建晨
（西安航天自动化股份有限公司，陕西西安 710065）

为了提高RFID读写器的群读能力、辐射范围、读取率，读取标签时不受标签方位的影响，本文基于Impinj R2000读写器芯片，使用RFMD公司生产的RF1604DS芯片完成了一款4天线端口读写器核心模块的硬件设计。该模块符合ISO18000-6C等物联网相关主流标准，工作频率范围为860 MHz～960 MHz可调，各天线输出端输出功率大于30 dBm，可实现远距离读写标签。通过专用测试工具对模块内部寄存器进行相关设置后，可以实现4天线的读、写操作功能。最后，通过信号分析仪对各天线端在不同功率需求下进行了现场测试，同时在应用现场进行了实际应用。结果表明：4个天线端功率输出功率高，辐射范围大，读取标签距离远，能满足实际需求，具有很好的市场前景。

超高频射频识别；读写器模块；R2000；4天线；RF1604DS

0　引言

射频识别技术（RFID）是一种利用无线射频技术在读写器和标签之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换目的的自动识别技术［1］。近年来，超高频射频识别技术（UHF）发展迅速，在国内，UHF RFID的实际应用已涉及多个方面［2-3］。目前，已有一大部分企业自主研发出UHF读写器，如西安航天自动化股份有限公司、深圳远望谷、深圳拙进等公司。

传统RFID读写器仅限于单通道或2通道读取标签，这使得RFID读写器群读能力、辐射范围、读写方位等受限。因此，本文设计出4天线RFID读写器核心模块，目的是提高 RFID读写器的群读能力、辐射范围，读取标签时不受标签方位的影响，实现瞬间内读取多张标签，提高读取标签数量，以保证识别率，使用户在较少设备下实现高性能的读取效果，为用户节省应用成本。

本文使用Impinj R2000读写器芯片完成标签的读、写操作。为了提高射频信号的功率，外部使用了功率放大器以增加射频信号的发射功率。为了实现4天线射频信号的输入、输出，采用了RFMD公司生产的RF1604芯片作为射频开关。最后，根据现场需要，通过信号分析仪对各个天线在不同功率设置下进行了现场测试。测试结果表明：4个天线端功率输出均能满足现场需求，性能良好，符合设计要求。

1　RFID系统概述

典型的射频识别系统一般由 RFID标签、RFID读写器、外置天线、应用软件系统及执行机构等部分组成。其工作原理如图1所示。

图1　RFID系统工作原理

RFID系统的基本工作原理是［1-2］：RFID读写器可以通过外置天线发射出某一特定频段的射频信号；当携带载体信息的RFID标签进入到读写器的读写区域时，在RFID标签内会耦合产生感应电流，进而将 RFID标签激活，从而使得RFID标签携带的载体信息通过其内置天线发射出去；当RFID天线接收到此信号时，将此信号传送到RFID读写器进行解码操作，完成了标签的读操作；RFID读写器可将解码后得到的信息传送到后台应用软件系统进行识别，进而可以控制相关执行机构的动作，以达到自动识别、自动执行的目的。

2　读写器核心模块设计

2.1读写器模块架构

4天线读写器模块架构主要由以下模块组成［4-5］：Impinj R2000读写器芯片；主控单元 ARM；功率放大器；射频耦合器；4天线选择网络RF1604；各通信接口。具体如图2所示。

图2　读写器模块架构

2.2RF1604简介

RF1604是 RFMD公司推出的新型单极四投（SP4T）开关，专为要求极低插入损耗、高功率处理能力和最低直流耗能的开关应用设计。

RF1604采用非常小巧的 2.5 mm×2.5 mm、12引脚且无铅的QFN封装。其工作电压为2.2 V～2.7 V，推荐工作电压为2.5 V。在0.5 GHz～1.0 GHz时，RF1、RF2、RF3、RF4的插入损耗为 0.4 dB～0.55 dB，最大控制功率为+36 dBm。

RF1604封装图如图3所示。

各引脚功能如表1所示。

4天线选择控制信号真值表如表2所示。

图3　RF1604封装图

表1　RF1604各引脚功能

表2　RF1604控制信号真值表

2.3射频输出硬件电路设计

硬件电路设计如图 4所示，在射频开关 RF1604的射频信号输入、输出端进行了阻抗匹配设计，在产品调试时可通过信号分析仪测得的射频功率信号，通过调节线路上的阻容元件以实现输入、输出的阻抗匹配操作，保证信号在传输过程中能够实现最大功率传输。

图4　RF1604外围硬件设计

2.4射频输出PCB设计

射频信号在传输过程中，对PCB板的设计提出了更好的要求。如果设计不当，工作时会使电路板内的电源电压和地电平产生波动，导致信号波形产生尖峰过冲、衰减震荡、反射、串扰等问题，严重影响产品的稳定性和功能［6］。

因此，为了减小射频信号传输线路上的回波损耗及消除串扰，在设计PCB时，从布局、布线两个方面进行设计考虑。

另外，在布线时，采用了3W规则法。

2.5基于ADS的系统仿真分析

在设计时采用ADS软件进行阻抗匹配分析，使得输出获得最大的功率信号，提高产品的设计成功率，如图5所示。

图5　射频开关与天线输出之间的阻抗匹配Smith圆图

由图5的 Smith圆图可以看出，射频开关与各天线输出之间的线路阻抗匹配，满足设计要求。

3　四天线工作软件部分设置

4天线 UHF RFID读写器核心模块设计完成后，软件部分设置前向功率、反向功率，其校准曲线如图6所示。

图6　读写器模块功率校准曲线

4　性能测试

RFID超高频中国频段为：920 MHz～925 MHz，根据实际现场需要，使用专用测试工具分别对1～4号天线的输出功率、频率设置为30 dbm、922.5 MHz。

为验证4天线RFID读写器模块的输出功率，采用信号分析仪进行了现场测试，如图7所示。

图7　1～4号天线输出端频谱图

由图7可以看出，4天线RFID读写器1～4号天线的输出功率性能良好，输出功率均能满足设计要求。

采用矢量网络分析仪测得超高频RFID读写器模块4个天线输出端的Smith圆图如图8所示。

图8　4天线输出端的Smith圆图

通过图8可以看出，4天线RFID读写器4个天线输出端在工作频率为922 MHz时，其阻抗匹配接近 50 Ω，符合设计要求。

另外，根据现场需求，对15 m以外的标签进行了批量读取，通过专用测试工具可以得到RFID读写器读到的标签类型及标签数量，如图9所示。

图9　现场测试读取标签

5　结论

为了提高RFID读写器的群读能力、辐射范围、读取率，读取标签时不受标签方位的影响，本文基于 Impinj R2000读写器芯片，使用 RFMD公司生产的 RF1604DS芯片完成了一款4天线端口读写器核心模块的硬件电路原理图与PCB的设计。同时，对4天线工作时的软件部分相关寄存器的设置进行了分析，最后通过信号分析仪对天线端在不同功率需求下进行了现场测试，测试结果表明：4天线UHF RFID读写器核心模块具有良好的性能、输出功率均能满足现场需求，符合设计要求，具有很好的市场前景。

［1］周晓光，王晓华.射频识别（RFID）技术原理与应用实例［M］.北京：人民邮电出版社，2006.

［2］ZELLER K F.射频识别技术（第三版）［M］.吴晓峰，陈大才，译.北京：电子工业出版社，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，向伟，徐丹.基于 Intel R1000芯片的超高频手持式读写器设计［J］.计算机与数字工程，2008，36（9）：198-200.

［5］黄志敏，李鹏，高远.基于 Intel R1000的超高频 RFID读写器设计［J］.现代电子技术，2009，6（16）：57-60.

［6］黄会雄，袁海鹰.射频电路 PCB板电磁兼容设计方法与技巧［J］.产品测试与解决方案，2009，6（16）：57-60.

Design of 4 antennas UHF RFID reader module

Zhang Yajun，Tao Yi，Hu Jianchen
（Xi′an Aerospace Automation Co.，Ltd.，Xi′an 710065，China）

To increase the group reading ability，reading rate and radiation range of RFID reader，and also decrease effects of label orientation during the label reading process，based on Impinj R2000 chip，this paper introduced the hardware design of a 4 selectable antennas reader module realized using RF1604DS chip of RFMD company.This module conforms to the main protocol such as ISO1800-6C and so on.The operating frequency range is 860 MHz～960 MHz and it is adjustable.Output power of each antenna is over 30 dBm.It can achieve long distance label reading and writing.Through setup of internal register in the module using specialized testing equipment，4 antennas reading and writing operation can be achieved.Field testing is done through signal analyzer of antennas′different power demands，and practical application is introduced at the same time.The results show that the reader module with 4 antennas have higher output power，larger radiation range，longer label reading distance，and it can satisfy the practical applications，have good market prospects.

UHF RFID；reader module；R2000；4 antennas；RF1604DS

TN830

A

1674-7720（2015）05-0026-04

（2014-11-07）

张亚军（1982-），通信作者，男，硕士，硬件工程师，主要研究方向：自动化控制与物联网技术，E-mail：abc123_213@ qq.com。

陶怡（1986-），男，硕士，软件工程师，主要研究方向：物联网、软件工程。

胡建晨（1989-），男，硕士，主要研究方向：集成电路、控制理论。