采用RF芯片組的下一代RFID閱讀器

　　UHF RFID 1W 閱讀器的RF部分通常包含大量的不同半導體制造工藝的RF元件。本文討論下一代RFID(射頻識別)閱讀器如何采用新的集成元件來簡化RFID閱讀器的設(shè)計。

　　美國的閱讀器具有+30dBm最大輸出功率；歐洲的閱讀器最大輸出為+27dBm；日本的閱讀器最大輸出功率為+30dBm。當今在美國的大多數(shù)1W閱讀器是為低密度用戶設(shè)計的，其發(fā)射和帶外要求是由FCC確定。對于美國和日本的閱讀器可以采用飽和功率放大器(PA)，可使PAE(功率附加效率)在較高的 50%量級。對于歐洲閱讀器，功率放大器必須工作在線性區(qū)，這可使PAE降低到30%左右。

　　RFID閱讀器的頻率方案示于表1。

         RFID閱讀器的頻率方案　　

　　為了減少RFID閱讀器RF部分的尺寸，必須增加每個元件的功能。圖1示出RFID閱讀器的典型框圖，并示出集成元件到芯片組的一種可能的方法。

         RFID閱讀器的典型框圖　　

　    源模塊

　　源模塊的用途是為RFID閱讀器的發(fā)送和接收通路提供頻率合成LO(本振)，其頻率見表1。頻率合成器為了能為TX(發(fā)送)和RX(接收)信號通路提供合適的LO輸入，必須放大合成器之后的信號。

　　對于源模塊，關(guān)鍵是要適應(yīng)性強，這樣單塊PC板可以用于處理所有不同的頻段。用一個集成合成器/VCO集成電路，采用不同的電感值可以對準VCO頻段的中心。日本頻段比美國和歐洲頻段要求更快的開關(guān)速度，這仍然可以用5KHz BW(帶寬)環(huán)形濾波器實現(xiàn)，但需用不同的元件值。在功率分配器中需要有20dB量級的隔離?；诔杀究紤]，一般采用單片窄帶功率分配器，但對于 850~960MHz，它不是最佳的。為了使每個隔離最佳，采用調(diào)節(jié)電感器和/或電容器重新對準功率分配器隔離。

　　為了減小尺寸和減少整個元件數(shù)，必須組合各種各樣的元件來構(gòu)成一個源模塊。TCXO(溫控晶振)制造在屏蔽封裝中，以使頻率穩(wěn)定性最高和噪聲最小。合成器所用的大多數(shù)元件是低成本的SMTI(表面貼裝)封裝。合成器/源模塊另一個要求是需要屏蔽，以使環(huán)路穩(wěn)定和相位噪聲最小。
　　
　　集成這些不同元件的一種可能方法是用LGA(焊區(qū)柵陣列)封裝。很多合成器模塊是分層和邊緣碟形，這便于信號從板頂部到印刷電路板。一般采用LGA封裝。為了保證較強的機械連接和低感性地連接，在封裝的中心應(yīng)該有幾個大的地貼片。較大的貼片(如20×60mm2)能提供比邊緣蝶形更強的連接。
　　
　　合成器的設(shè)計和封裝應(yīng)該使RF屏蔽最大。
　　
　　發(fā)送模塊拓撲
　　
　　如圖1所示，典型的發(fā)送模塊應(yīng)包括DBM (雙平衡混頻器)、LO放大器、前置放大器、功率放大器和ITN(阻抗變換網(wǎng)絡(luò))。采用混合技術(shù)使每個元件最佳化，混頻器和級間匹配網(wǎng)絡(luò)的PA和HMIC 用GaAs HBT。這樣高集成度可使小信號增益超過50dB，這需要精心布置摸塊。為了保持穩(wěn)定度，必須把前置放大器放置在盡可能遠離功率放大器的地。圖2是此方案的電路拓撲。外表上，只需要少量旁路電容器和一般的高頻技術(shù)來實現(xiàn)模塊的固有性能。單電源工作具有方便性和成本優(yōu)勢。

        發(fā)送模塊拓撲

　　6×6mm2 PQFN多芯片模塊是構(gòu)建發(fā)送模塊的好的封裝選擇。這種方法有幾個優(yōu)點。這是封裝多芯片的一個有效方法。由于PQFN封裝的底部可直接焊接到地，所以它具有到地的低電感和來自放大器管芯片底部的低熱阻通路。
　　
　　發(fā)送模塊混頻器和LO放大器
　　
　　DBM給載波信號發(fā)送調(diào)制。所包含的LO放大器增大來自源模塊的信號到足夠電平來驅(qū)動混頻器本振端口，另外，所具有的LO放大器提供50Ω接口，這使得到源模塊有一個簡單的互連。
　　
　　混頻器調(diào)制的RF輸出到前置放大器，然后到功率放大器。前置放大器具有17dB增益，由3級器件實現(xiàn)的功率放大器提供35dB小信號增益。在發(fā)送模塊中也包含一個ITN。此網(wǎng)絡(luò)的用途是變換50Ω負載電阻功率放大器所需要的阻抗值，以便在有效電源電壓能產(chǎn)生所希望的輸出功率。對于典型的3.6V電源，此阻抗僅為幾歐姆，生成大的環(huán)流電流。低電阻需要適當處理電路寄生干擾。此電路需要仔細地設(shè)計，才能實現(xiàn)高性能和可靠性。

　　在HMIC中不考慮實現(xiàn)ITN尺寸的情況下，此技術(shù)可提供小的可控制寄生干擾，諧波帶阻濾波器中的寄生參量需要其后的諧波濾波器來減小。

　　前置放大器和功率放大器之間外部互連到發(fā)送模塊這為設(shè)計人員提供最大靈活性。該點信號通路可以插入一個定制濾波器。有些用戶希望完全旁路混頻器，選擇用功率放大器的功率控制器電路引入數(shù)據(jù)調(diào)制。
　　
　　為了UHF閱讀器在天線端提供1W RF電平，功率放大器要求能提供足夠的功率輸出來克服傳輸模塊輸出和天線之間的信號損耗。這種損耗也包括到天線通路中的任何耦合器、濾波器、環(huán)引器和連線。
　　
　　為了設(shè)置不同要求的輸出電平以及通常采用的載波幅度調(diào)制形式(脈沖間隔調(diào)制)，希望能控制功率。對于指定的數(shù)據(jù)率沒有顯著失真，其調(diào)制帶寬 必須足夠?qū)挕?br /> 　　
　　盡可能多的電路應(yīng)該是寬帶，最低帶寬應(yīng)該滿足跳頻協(xié)議的部分要求。

　　RFID接收模塊
　　
　　大部分新式無線通信系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)制/解調(diào)技術(shù)。其原因是：這種技術(shù)能增加信道能力，并在出現(xiàn)噪聲和失真時具有較高的發(fā)送和接收信息的精度。在數(shù)字通信系統(tǒng)，傳輸有限數(shù)的電波形或符號，其中每個符號可以表示為1或多位。接收器的工作是識別發(fā)送器所發(fā)送的符號，甚至在有噪聲和失真的情況。引起無線通信中的失真原因可能是信號通過沒有足夠帶寬的濾波器或非線性元件效率差的開關(guān)轉(zhuǎn)換。歸根結(jié)底，通信系統(tǒng)中這種事件將就稱之為ISI(碼間干擾)。除ISI外，其他失真類型稱之為時延擴展和噪聲。在不同時間接收同一信號的多種變形時會發(fā)生時延擴展。這發(fā)生在傳輸信號到接收器的路上被多個物件反射。
　　
　　隨著無線通信系統(tǒng)更多地趨向數(shù)據(jù)方面，而不僅僅限于通用話音通信，系統(tǒng)設(shè)計人員再次把注意力集中在收發(fā)器上，尋求有助于達到優(yōu)異信噪比(較低誤碼率)的方法或元件。顯然，制造商尋求優(yōu)異RF性能。另外，工作在UHF波段的RFID系統(tǒng)具有獨特的特性。工作中，閱讀器天線以無線電波形式發(fā)送電磁能量，此電磁能量指向 RFID標簽。標簽吸收能量，并通過其內(nèi)置的微芯片/二極管，用它來改變天線負載，反過來反射回一個變化的信號到閱讀器。此方法稱之為背反射，而且是被動式RFID標簽識別存在的基礎(chǔ)。這些背反射信號的頻率本質(zhì)上與發(fā)射信號相同。采用零拍檢測，在零拍檢測中調(diào)制前的發(fā)射信號取樣用作接收I/Q解調(diào)器的LO源。發(fā)射和接收信號具有相同的頻率會加重弱反射信號恢復的難度，它必須識別較高功率載波頻率的存在。因此，這種方法的優(yōu)點是可以選擇發(fā)射器元件來改善整個信噪比，并使LO載波損失最小。I/O解調(diào)器是一個關(guān)鍵元件，它可使信噪比最大和使LO載波損失最小。以可能的最低誤碼率和最高靈敏度，直接變頻到基帶頻率，對于讀出器精度和應(yīng)用范圍都是關(guān)鍵。

　　I/O解調(diào)器的基本框圖示于圖3。

       I/O解調(diào)器的基本框圖

　　I/O調(diào)制器/解調(diào)器用M/A-COM HMIC設(shè)計。采用普通屏蔽混頻器的I/O調(diào)制/解調(diào)器主要性能示于表2。

        主要性能

　　圖4示出MAIA-007859-000100接收模塊的總諧波抑制性能，圖5示出

       低相位不穩(wěn)定性與驅(qū)動功率的關(guān)系。

       總諧波抑制性能

　　每個I/O調(diào)制器封裝在6mmPQFN塑料封裝中，需要+5V DC電源(75μA)。在DC供電線上需要一個到地的并聯(lián)電容器來防止任何RF頻率進入模塊。

　　結(jié)語

　　對于1W RFID UHF閱讀器，把大部分RF元件放在少量模塊中是可能的。這允許終端用戶可減小板的大小，更快地把產(chǎn)品推向市場和降低元件數(shù)量。