RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

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01、射頻開關(guān)

微波開關(guān)又稱射頻開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了控制微波信號(hào)通道轉(zhuǎn)換作用。射頻和微波開關(guān)廣泛用于微波測(cè)試系統(tǒng)中，用于儀器和待測(cè)設(shè)備（DUT）之間的信號(hào)路由。將開關(guān)組合到開關(guān)矩陣系統(tǒng)中，可以將來自多個(gè)儀器的信號(hào)路由到單個(gè)或多個(gè)DUT。這使得多個(gè)測(cè)試可以在相同的設(shè)置下執(zhí)行，無需頻繁的連接和斷開連接。整個(gè)測(cè)試過程可以自動(dòng)化，從而提高大批量生產(chǎn)環(huán)境中的吞吐量。對(duì)于需要連接多個(gè)天線的閱讀器，當(dāng)使用射頻開關(guān)后，不需要每次切換天線都手動(dòng)更換射頻接頭，大大提升效率和實(shí)時(shí)性。

像其它電氣開關(guān)一樣，微波開關(guān)為許多不同的應(yīng)用提供不同的配置：

單刀雙擲（SPDT或1：2）開關(guān)將信號(hào)從一路輸入路由到兩路輸出路徑。

多端口開關(guān)或單刀多擲（SPnT）開關(guān)允許一個(gè)輸入到多個(gè)（三個(gè)或更多）輸出路徑。（5.2.4節(jié)中相位列陣網(wǎng)關(guān)的原理圖中就使用該射頻開關(guān)）。

轉(zhuǎn)換開關(guān)或雙刀雙擲（DPDT）開關(guān)可用于各種目的。（5.2.4節(jié)中相位列陣網(wǎng)關(guān)的原理圖中就使用該射頻開關(guān)）。

旁路開關(guān)從信號(hào)路徑插入或移除測(cè)試組件。

超高頻RFID閱讀器多為4端口，因此經(jīng)常使用SP4T的單刀4擲開關(guān)。如圖5-64所示為一個(gè)單刀4擲開關(guān)的功能框圖，其中輸入端口為RFC，輸出端口為RF1、RF2、RF3和RF4，當(dāng)SP4T的GND和VDD有供電時(shí)，該芯片啟動(dòng)，可以通過A、B兩個(gè)數(shù)字輸入管腳選擇RFC的信號(hào)從RF1到RF4中的哪個(gè)輸出端口。A、B的數(shù)字信號(hào)通過2：4的TTL譯碼器后控制開關(guān)的打開和閉合，當(dāng)A=0、B=0（A、B都為低電平）時(shí)RF1的端口接通與RFC直連。

圖5-64單刀4擲開關(guān)的功能框圖

雖然多個(gè)參數(shù)與射頻和微波開關(guān)的性能相關(guān)，然而以下四個(gè)由于其相互間較強(qiáng)的相關(guān)性而被視為至關(guān)重要的參數(shù)：隔離度，插入損耗，開關(guān)時(shí)間，功率處理能力。

隔離度：隔離度是在指定的端口檢測(cè)到的無用信號(hào)的衰減程度。高隔離度減少了其它通道信號(hào)的影響，保持了測(cè)量信號(hào)的完整性，降低了系統(tǒng)測(cè)量的不確定性。在使用超高頻RFID多端口閱讀器時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“串讀”現(xiàn)象，當(dāng)只啟動(dòng)天線1工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)盤點(diǎn)到天線2附近的標(biāo)簽。這個(gè)現(xiàn)象在中低端的四口閱讀器中時(shí)常出現(xiàn)，是因?yàn)椴捎玫纳漕l開關(guān)隔離度差（如30dB），當(dāng)端口1發(fā)射33dBm的信號(hào)時(shí)，端口2會(huì)耦合到3dBm的信號(hào)，從而進(jìn)入天線2，如果有標(biāo)簽距離天線2非常近，就可以識(shí)別到該標(biāo)簽，標(biāo)簽的反向數(shù)據(jù)會(huì)從端口2耦合到端口1回到閱讀器接收中，從而引起“串讀”現(xiàn)象。這種“串讀”現(xiàn)象尤其在端口1空載（未連接天線1）失配時(shí)更為明顯。

插入損耗：信號(hào)從輸入口進(jìn)入到輸出口之間會(huì)有一個(gè)能量損失，稱為插入損耗。插入損耗越小越好，一般超高頻RFID閱讀器的單刀4擲開關(guān)插入損耗為0.5dB左右。因此在電路完全相同的情況下，采用單端口輸出比四端口輸出的功率略大。

開關(guān)時(shí)間：當(dāng)一個(gè)開關(guān)命令發(fā)出后，射頻信號(hào)可以穩(wěn)定傳輸?shù)淖钚r(shí)間。對(duì)于超高頻RFID閱讀器的多天線快速識(shí)別應(yīng)用，開關(guān)時(shí)間的大小也是至關(guān)重要的?，F(xiàn)階段超高頻RFID閱讀器常用的SP4T開關(guān)多數(shù)的延遲在100納秒之內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)影響幾乎可以忽略。

功率處理能力：由于通過電路實(shí)現(xiàn)的射頻開關(guān)內(nèi)部存在非線性器件，當(dāng)大功率通過射頻開關(guān)時(shí)，射頻信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變。超高頻RFID閱讀器的輸出功率較大，一般都超過30dBm，因此在選擇射頻開關(guān)時(shí)要非常重視。

微波開關(guān)可分為機(jī)電式繼電器開關(guān)以及固態(tài)開關(guān)兩大類。

機(jī)電式繼電器開關(guān)的插入損耗較低（<0.1dB），隔離度較高（>85dB），且可以毫秒級(jí)的速度切換信號(hào)。此類開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)在于，其可在直流~毫米波（>50 GHz）頻率范圍內(nèi)工作，而且對(duì)靜電放電不敏感。此外，機(jī)電式繼電器開關(guān)可處理較高的功率水平（達(dá)數(shù)千瓦的峰值功率）且不發(fā)生視頻泄漏。然而，在機(jī)電式射頻開關(guān)的操作中，開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)使用壽命大約只有100萬次，而且其組件對(duì)振動(dòng)較為敏感。

相比之下，由于固態(tài)射頻開關(guān)的電路裝配較為平坦且不包含較大的元器件，因此其封裝厚度較小且物理尺寸通常小于機(jī)電式開關(guān)。超高頻RFID閱讀器開關(guān)一般選擇固態(tài)射頻開關(guān)。固態(tài)射頻開關(guān)使用的開關(guān)元件為高速硅PIN二極管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），或者為集成硅或FET單片微波集成電路。這些開關(guān)元件與電容器，電感器和電阻器等其它芯片組件分立集成于同一電路板上。使用PIN二極管電路的開關(guān)產(chǎn)品具有更高的功率處理能力，而FET類型的開關(guān)產(chǎn)品通常具有更快的開關(guān)速度。當(dāng)然，由于固態(tài)開關(guān)不包含活動(dòng)部件，因此其使用壽命是無限的。此外，固態(tài)開關(guān)的隔離度較高（60~80dB），開關(guān)速度極快（<100納秒），電路的耐沖擊/振動(dòng)性較好。固態(tài)射頻開關(guān)在插入損耗方面劣于機(jī)電式開關(guān)。此外，固態(tài)射頻開關(guān)在低頻應(yīng)用中具有局限性。這是因?yàn)槠涔ぷ黝l率下限只能到千赫級(jí)，而非直流。這一局限源于其所使用半導(dǎo)體二極管固有的載流子壽命特性。

02、天線分配器

天線分配器英文名叫做AntennaHub，是基于超高頻RFID多天線需求而出現(xiàn)的，其實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)簡單，只需要采用不同的射頻開關(guān)。如16端口的天線分配器可以采用2級(jí)共5個(gè)單刀4擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式如圖5-65所示。射頻輸入信號(hào)進(jìn)入后通過第一級(jí)單刀4擲開關(guān)將一個(gè)信號(hào)分為4個(gè)輸出RFA、RFB、RFC和RFD，同時(shí)它們又分接入下一級(jí)4個(gè)開關(guān)的輸入端口，這樣一共有16個(gè)輸出端口?？刂菩盘?hào)為4比特，前2比特管理第一級(jí)開關(guān)，可以選中第二級(jí)開關(guān)中的一個(gè)，后2比特同時(shí)連接到4個(gè)開關(guān)，管理這4個(gè)開關(guān)的輸出口。

圖5-6516端口天線分配器實(shí)現(xiàn)框圖

許多閱讀器廠商開發(fā)了支持自家閱讀器的專用天線分配器和配套控制單元。如圖5-66所示為Impinj公司提供的天線分配器方案。該系統(tǒng)可以從原有的4端口擴(kuò)展為32個(gè)端口，需要天線分配器（AntennaHub）和GPIO適配器（GPIO Adapter Kit）。由于閱讀器的GPIO接口數(shù)量有限，無法通過閱讀器直接與多個(gè)天線分配器相連，因此需要一個(gè)GPIO適配器。GPIO適配器的功能是將閱讀器的GPIO信號(hào)處理為4路RJ45線纜的控制信號(hào)，傳遞給天線分配器，同時(shí)給天線分配器供電。與此同時(shí)閱讀器的4個(gè)端口分別連接4個(gè)天線分配器的輸入端口。

圖5-66Impin公司提供的天線分配器方案

采用Impinj的這套32天線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)架設(shè)方便，接線簡單，管理也相對(duì)容易。其軟件管理也比較簡單，當(dāng)需要輪詢32個(gè)端口時(shí)，需要先將閱讀器固定第一個(gè)射頻輸出端口，然后再通過GPIO適配器控制第一個(gè)天線分配器控制1號(hào)輸出端口與閱讀器第一個(gè)射頻輸出端口導(dǎo)通，當(dāng)盤點(diǎn)結(jié)束后再切換天線分配器的2號(hào)輸出端，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)天線分配器的8個(gè)輸出端口全部盤點(diǎn)完成后，切換閱讀器的第二個(gè)端口。

這里有一點(diǎn)需要注意的是，天線分配器或多天線的切換邏輯常用的策略有兩種，定時(shí)邏輯和盤存邏輯。定時(shí)邏輯為，規(guī)定好每個(gè)天線的工作時(shí)間，按時(shí)切換，其優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)天線都有相同的盤點(diǎn)時(shí)間，缺點(diǎn)是可能會(huì)出現(xiàn)在尚未盤點(diǎn)結(jié)束時(shí)時(shí)間到了切換到下一個(gè)天線，前后兩個(gè)盤點(diǎn)區(qū)域的效率都有所降低。盤存邏輯為當(dāng)閱讀器確定該天線覆蓋區(qū)域的標(biāo)簽已經(jīng)被全部識(shí)別后，自動(dòng)切換下一個(gè)天線，這種策略的優(yōu)勢(shì)為效率高。對(duì)于大多數(shù)場(chǎng)景應(yīng)用中應(yīng)選擇盤存邏輯，只有在特殊需要定時(shí)管理的場(chǎng)景中可以采用定時(shí)邏輯，不過每次盤點(diǎn)的定時(shí)時(shí)長應(yīng)足夠長，以保證完全盤點(diǎn)該區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽。

03、衰減器

衰減器是一種提供衰減的電子元器件，廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)備中，它的主要用途是：（1）調(diào)整電路中信號(hào)的大??；（2）在比較法測(cè)量電路中，可用來直讀被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的衰減值；（3）改善阻抗匹配，若某些電路要求有一個(gè)比較穩(wěn)定的負(fù)載阻抗時(shí)，則可在此電路與實(shí)際負(fù)載阻抗之間插入一個(gè)衰減器，能夠緩沖阻抗的變化。在超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)中，衰減器的作用主要是（1）和（3）。由于閱讀器的輸出功率最小值一般為5dBm或15dBm，在一些需要距離控制的應(yīng)用中需要更小的輸出功率，因此需要衰減器的輔助。對(duì)于一些小型天線或匹配較差的天線，其載波泄漏非常嚴(yán)重，影響閱讀器的工作距離，當(dāng)接入衰減器后雖然天線端口的輸出功率有所下降，但其阻抗特性有很大的改善，閱讀器端口的輸入反射系數(shù)減少，系統(tǒng)靈敏度提高，工作距離反而增加了。

構(gòu)成射頻/微波功率衰減器的基本材料是電阻性材料。通常的電阻是衰減器的一種基本形式，由此形成的電阻衰減器網(wǎng)絡(luò)就是集總參數(shù)衰減器。通過一定的工藝把電阻材料放置到不同波段的射頻/微波電路結(jié)構(gòu)中就形成了相應(yīng)頻率的衰減器。如果是大功率衰減器，體積肯定要加大，需要重點(diǎn)考慮散熱設(shè)計(jì)。

衰減器的關(guān)鍵參數(shù)有頻率響應(yīng)、衰減參數(shù)、接頭類型、功率指標(biāo)等：

頻率響應(yīng)：即頻率帶寬，一般用兆赫茲（MHz）或吉赫茲（GHz）表示。通用的衰減器一般帶寬為5GHz左右，最高要到50GHz。超高頻RFID閱讀器常用的工作頻率為800MHz到900MHz之間，一般選擇3GHz之內(nèi)的衰減器即可滿足要求。

衰減參數(shù)：用于描述傳輸過程中從一端到另一端的信號(hào)減少的量值?？捎帽稊?shù)或分貝數(shù)來表達(dá)。常見的衰減參數(shù)為3dB、10dB、14dB、20dB不等，最高可達(dá)110dB。結(jié)構(gòu)形式一般分兩種形式：固定比例衰減器與步進(jìn)比例可調(diào)衰減器。固定衰減器是指在一定頻率范圍固定比例倍數(shù)的衰減器。步進(jìn)衰減器是以一定固定值（例1dB）等間隔可調(diào)比例倍數(shù)的衰減器，又分為手動(dòng)步進(jìn)衰減器和程控步進(jìn)衰減器。在實(shí)驗(yàn)室中一般需要一臺(tái)步進(jìn)衰減器，而在實(shí)際應(yīng)用中，都采用小型的固定衰減器。

接頭類型：連接頭形式分為BNC型、N型、TNC型、SMA型、SMC型等，同時(shí)連接頭形狀具有陰、陽兩種。連接尺寸分為公制與英制形式，以上根據(jù)使用要求決定；如果連接頭的型式多樣，可以配用相應(yīng)的連接轉(zhuǎn)換頭，例：BNC轉(zhuǎn)N型頭等。在閱讀器配套的衰減器中常用TNC型和SMA型。

功率指標(biāo)：衰減器將輸入信號(hào)能量減小后輸出，因而這部分被衰減的能量都留在衰減器內(nèi)引起發(fā)熱，當(dāng)留在衰減器的熱量過大時(shí)會(huì)損壞衰減器，因此需要確定該參數(shù)。一般尺寸大的衰減器具有較高的功率指標(biāo)。

如圖所示為一款閱讀器常用的SMA接頭衰減器，工作頻率為DC到4GHz，衰減10dB，額定功率2W。

圖5-67SMA接頭衰減器

在應(yīng)用中如果需要指定衰減參數(shù)的衰減器，而市場(chǎng)上無法找打，可以通過兩個(gè)衰減做加法的方式實(shí)現(xiàn)。如需要一個(gè)13dB的衰減器，可以通過一個(gè)3dB的衰減器和一個(gè)10dB的衰減器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

04、射頻電纜

射頻同軸電纜是用于傳輸射頻和微波信號(hào)能量的。它是一種分布參數(shù)電路，其電長度是物理長度和傳輸速度的函數(shù)，這一點(diǎn)和低頻電路有著本質(zhì)的區(qū)別。射頻同軸電纜大致可分為半剛和半柔電纜、柔性編織電纜和物理發(fā)泡電纜等幾大類，不同的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)選擇不同類型的電纜。半剛和半柔電纜一般用于設(shè)備內(nèi)部的互聯(lián)；在測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域，應(yīng)采用柔性電纜；發(fā)泡電纜常用于基站天線饋線系統(tǒng)。閱讀器一般采用柔性射頻同軸電纜，如圖5-68所示。

圖5-68柔性射頻同軸電纜結(jié)構(gòu)圖

其中射頻同軸電纜從里到外可分為四層：

1、芯線：射頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體，其實(shí)現(xiàn)方式有：

單根或多根無氧銅線；

單根鋼包銅線；

單根鋁包銅線；

鋁管或波紋銅管。

2、屏蔽層：射頻同軸電纜的外導(dǎo)體，其實(shí)現(xiàn)方式有：

單層或多層多股銅線紡織層；

單層多股銅線紡織層加鋁??；

單層鋁薄加鍍銀銅帶包繞層；

一層銅管或波紋銅管。

3、絕緣層：射頻同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體間的支撐介質(zhì)，決定著射頻同軸電纜的許多電特性和機(jī)械特性，其實(shí)現(xiàn)方式有：

實(shí)心聚四氟乙烯或聚乙烯；

高發(fā)泡聚四氟乙烯填充；

高發(fā)泡聚乙烯填充；

高發(fā)泡聚四氟乙烯帶包繞；

藕狀或骨架式空氣混合絕緣支撐；

空氣介質(zhì)加1／4波長金屬支撐子。

4、外皮：射頻同軸電纜的外保護(hù)層，其實(shí)現(xiàn)方式有：

聚四氟乙烯或聚乙烯外皮；

硅橡膠或有機(jī)材料編織外皮；

塑料或金屬鎧管護(hù)套。

射頻電纜的關(guān)鍵參數(shù)有：特性阻抗、傳輸損耗、頻率范圍，屏蔽效果。功率容量等：

特性阻抗：由射頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體外徑d、屏蔽層內(nèi)徑D和絕緣層的介電常數(shù)εr決定。阻抗Z0計(jì)算方式為：

（5-2）

傳輸損耗：射頻同軸電纜在傳輸微波信號(hào)時(shí)每百米電纜使信號(hào)產(chǎn)生衰減的dB值。

頻率范圍：電纜廠家推薦的使用頻率范圍。同種結(jié)構(gòu)的電纜，尺寸越小使用頻率范圍越寬。頻率范圍fc計(jì)算方式為：

（5-3）

屏蔽效率：在特定頻率下電纜射頻泄漏的dB值，由電纜的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)決定。

絕緣電阻：考核絕緣介質(zhì)材料特性的一項(xiàng)電性能指標(biāo)。

功率容量：與電纜機(jī)械尺寸有關(guān)的一項(xiàng)電性能指標(biāo)。

射頻電纜組件的正確選擇除了頻率范圍，駐波比，插入損耗等因素外，還應(yīng)考慮電纜的機(jī)械特性，使用環(huán)境和應(yīng)用要求，另外，成本也是一個(gè)永遠(yuǎn)不變的因素。上述介紹中，詳細(xì)討論了射頻電纜的各種指標(biāo)和性能，了解電纜的性能對(duì)于選擇一條最佳的閱讀器射頻電纜組件是十分有益的。