采用新型集成元件来简化RFID阅读器设计 - 全文

UHF RFID 1W 阅读器的RF部分通常包含大量的不同半导体制造工艺的RF元件。本文讨论下一代RFID（射频识别）阅读器如何采用新的集成元件来简化RFID阅读器的设计。

美国的阅读器具有+30dBm最大输出功率；欧洲的阅读器最大输出为+27dBm；日本的阅读器最大输出功率为+30dBm。当今在美国的大多数1W阅读器是为低密度用户设计的，其发射和带外要求是由FCC确定。对于美国和日本的阅读器可以采用饱和功率放大器（PA），可使PAE（功率附加效率）在较高的 50%量级。对于欧洲阅读器，功率放大器必须工作在线性区，这可使PAE降低到30%左右。

RFID阅读器的频率方案示于表1。

RFID阅读器的频率方案

为了减少RFID阅读器RF部分的尺寸，必须增加每个元件的功能。图1示出RFID阅读器的典型框图，并示出集成元件到芯片组的一种可能的方法。

RFID阅读器的典型框图

源模块

源模块的用途是为RFID阅读器的发送和接收通路提供频率合成LO（本振），其频率见表1。频率合成器为了能为TX（发送）和RX（接收）信号通路提供合适的LO输入，必须放大合成器之后的信号。

对于源模块，关键是要适应性强，这样单块PC板可以用于处理所有不同的频段。用一个集成合成器/VCO集成电路，采用不同的电感值可以对准VCO频段的中心。日本频段比美国和欧洲频段要求更快的开关速度，这仍然可以用5KHz BW（带宽）环形滤波器实现，但需用不同的元件值。在功率分配器中需要有20dB量级的隔离。基于成本考虑，一般采用单片窄带功率分配器，但对于 850~960MHz，它不是最佳的。为了使每个隔离最佳，采用调节电感器和/或电容器重新对准功率分配器隔离。

为了减小尺寸和减少整个元件数，必须组合各种各样的元件来构成一个源模块。TCXO（温控晶振）制造在屏蔽封装中，以使频率稳定性最高和噪声最小。合成器所用的大多数元件是低成本的SMTI（表面贴装）封装。合成器/源模块另一个要求是需要屏蔽，以使环路稳定和相位噪声最小。

集成这些不同元件的一种可能方法是用LGA（焊区栅阵列）封装。很多合成器模块是分层和边缘碟形，这便于信号从板顶部到印刷电路板。一般采用LGA封装。为了保证较强的机械连接和低感性地连接，在封装的中心应该有几个大的地贴片。较大的贴片（如20×60mm2）能提供比边缘蝶形更强的连接。

合成器的设计和封装应该使RF屏蔽最大。

发送模块拓扑

如图1所示，典型的发送模块应包括DBM （双平衡混频器）、LO放大器、前置放大器、功率放大器和ITN（阻抗变换网络）。采用混合技术使每个元件最佳化，混频器和级间匹配网络的PA和HMIC 用GaAs HBT。这样高集成度可使小信号增益超过50dB，这需要精心布置摸块。为了保持稳定度，必须把前置放大器放置在尽可能远离功率放大器的地。图2是此方案的电路拓扑。外表上，只需要少量旁路电容器和一般的高频技术来实现模块的固有性能。单电源工作具有方便性和成本优势。

发送模块拓扑

6×6mm2 PQFN多芯片模块是构建发送模块的好的封装选择。这种方法有几个优点。这是封装多芯片的一个有效方法。由于PQFN封装的底部可直接焊接到地，所以它具有到地的低电感和来自放大器管芯片底部的低热阻通路。

发送模块混频器和LO放大器

DBM给载波信号发送调制。所包含的LO放大器增大来自源模块的信号到足够电平来驱动混频器本振端口，另外，所具有的LO放大器提供50Ω接口，这使得到源模块有一个简单的互连。

混频器调制的RF输出到前置放大器，然后到功率放大器。前置放大器具有17dB增益，由3级器件实现的功率放大器提供35dB小信号增益。在发送模块中也包含一个ITN。此网络的用途是变换50Ω负载电阻功率放大器所需要的阻抗值，以便在有效电源电压能产生所希望的输出功率。对于典型的3.6V电源，此阻抗仅为几欧姆，生成大的环流电流。低电阻需要适当处理电路寄生干扰。此电路需要仔细地设计，才能实现高性能和可靠性。

在HMIC中不考虑实现ITN尺寸的情况下，此技术可提供小的可控制寄生干扰，谐波带阻滤波器中的寄生参量需要其后的谐波滤波器来减小。

前置放大器和功率放大器之间外部互连到发送模块这为设计人员提供最大灵活性。该点信号通路可以插入一个定制滤波器。有些用户希望完全旁路混频器，选择用功率放大器的功率控制器电路引入数据调制。

为了UHF阅读器在天线端提供1W RF电平，功率放大器要求能提供足够的功率输出来克服传输模块输出和天线之间的信号损耗。这种损耗也包括到天线通路中的任何耦合器、滤波器、环引器和连线。

为了设置不同要求的输出电平以及通常采用的载波幅度调制形式（脉冲间隔调制），希望能控制功率。对于指定的数据率没有显著失真，其调制带宽 必须足够宽。

尽可能多的电路应该是宽带，最低带宽应该满足跳频协议的部分要求。

RFID接收模块

大部分新式无线通信系统采用数字调制/解调技术。其原因是：这种技术能增加信道能力，并在出现噪声和失真时具有较高的发送和接收信息的精度。在数字通信系统，传输有限数的电波形或符号，其中每个符号可以表示为1或多位。接收器的工作是识别发送器所发送的符号，甚至在有噪声和失真的情况。引起无线通信中的失真原因可能是信号通过没有足够带宽的滤波器或非线性元件效率差的开关转换。归根结底，通信系统中这种事件将就称之为ISI（码间干扰）。除ISI外，其他失真类型称之为时延扩展和噪声。在不同时间接收同一信号的多种变形时会发生时延扩展。这发生在传输信号到接收器的路上被多个物件反射。

随着无线通信系统更多地趋向数据方面，而不仅仅限于通用话音通信，系统设计人员再次把注意力集中在收发器上，寻求有助于达到优异信噪比（较低误码率）的方法或元件。显然，制造商寻求优异RF性能。另外，工作在UHF波段的RFID系统具有独特的特性。工作中，阅读器天线以无线电波形式发送电磁能量，此电磁能量指向 RFID标签。标签吸收能量，并通过其内置的微芯片/二极管，用它来改变天线负载，反过来反射回一个变化的信号到阅读器。此方法称之为背反射，而且是被动式RFID标签识别存在的基础。这些背反射信号的频率本质上与发射信号相同。采用零拍检测，在零拍检测中调制前的发射信号取样用作接收I/Q解调器的LO源。发射和接收信号具有相同的频率会加重弱反射信号恢复的难度，它必须识别较高功率载波频率的存在。因此，这种方法的优点是可以选择发射器元件来改善整个信噪比，并使LO载波损失最小。I/O解调器是一个关键元件，它可使信噪比最大和使LO载波损失最小。以可能的最低误码率和最高灵敏度，直接变频到基带频率，对于读出器精度和应用范围都是关键。

I/O解调器的基本框图示于图3。

I/O解调器的基本框图

I/O调制器/解调器用M/A-COM HMIC设计。采用普通屏蔽混频器的I/O调制/解调器主要性能示于表2。

主要性能

图4示出MAIA-007859-000100接收模块的总谐波抑制性能，图5示出

低相位不稳定性与驱动功率的关系。

总谐波抑制性能

每个I/O调制器封装在6mmPQFN塑料封装中，需要+5V DC电源（75μA）。在DC供电线上需要一个到地的并联电容器来防止任何RF频率进入模块。

结语

对于1W RFID UHF阅读器，把大部分RF元件放在少量模块中是可能的。这允许终端用户可减小板的大小，更快地把产品推向市场和降低元件数量。