有源RFID系统的设计与应用

最近在低频接收机设计方面的改进降低了功耗，同时提高了接收机性能，有望扩大可实现有源RFID系统的应用范围。

RFID（射频识别）是一种流行的应用技术例如资产跟踪和后勤支持，以及监控和访问控制，它们有时也被称为“实时定位系统”。到目前为止，大多数远程RFID实施都采用了超高频（UHF）读卡器工作在915 MHz频段，与无源标签相结合。没有自主电源的无源标签从阅读器发出的电磁辐射产生能量，并通过改变它们的阻抗（反向散射）与阅读器通信。因此，无源标签的范围有限。但是，某些RFID系统需要在对RF传输具有挑战性的环境中运行，例如深矿，金属集装箱内部和内部建筑物墙壁砌体当无线电信号必须穿过诸如岩石，液体，砖石或金属等障碍物时，难以通过无源RFID系统实现稳健可靠的传输。

对于此类应用，系统开发人员必须使用有源RFID系统，其中标签包括自己的电池电源。这样就可以将有源传输返回到读取器的高功率UHF信号，这可以始终如一地实现比无源标签所能提供的更长的范围。

图1：有源标签的系统框图有源RFID系统（图1）的基本作用是由低频（LF）接收器播放，该接收器唤醒系统并触发UHF传输。本文探讨了LF接收器设计的最新增强功能，这些功能可在降低功耗的同时提高接收器性能，有望扩大有源RFID系统的应用范围。

有源RFID标签设计人员面临的主要挑战是非常长的电池寿命和长距离 - 乍一看似乎彼此冲突的两个要求。同时，标签必须适合小尺寸，因此使用大电池实现长电池寿命并不是一个可行的选择。

这些限制解释了为什么图1所示的系统架构已经发展。询问器（基站）由LF发射器和UHF接收器组成，而标签由LF唤醒接收器和UHF发射器组成。询问器周期性地（通常每秒一次）发送LF模式。在传输之后，UHF接收器被打开以检查来自标签的回复。在标签处，只有唤醒接收器在正常操作中有效;每当标签在询问器的范围内时，接收器在检测到它识别的模式时唤醒UHF发射器（上行链路）。只有这样，UHF发送器才能将明确识别标签所需的信息传送给询问器。这种架构允许UHF无线电几乎连续地保持在断电模式因此，就功率而言，LF接收器是最重要的元素，因为它是唯一必须始终保持活动的元素。灵敏度是LF接收器的另一个关键参数，因为目标应用中的信号可能会因距离和物理障碍而衰减。

对于有源标签，电池寿命要求是三年（最小），来自简单的纽扣电池等作为CR2032。这种约束意味着标签的电流消耗应限制在接收模式下的电池漏电流以下。这反过来又使得工作频率的选择变得非常重要。为了实现低功率要求，接收器必须在《300 kHz下工作。如今的RFID系统通常使用125 kHz或134 kHz频率。这就产生了无线电实现中的第一个挑战：在如此低的频率下，波长很大，需要相应大的天线。成功的设计使用环形天线，其仅感测磁场（H）。环形天线本质上是由铁氧体线圈组成的电感器。如图2所示，基站中的LF发射器和标签中的LF接收器一起工作就像一个变压器，其中发射器处的电感器是初级线圈，接收器处的电感器是次级线圈。

图2：使用磁耦合的传输方案。为了增加发射器产生的磁场和接收器拾取的电压，两个线圈都用电容器调谐，以便在载波频率。可以使用并联电阻器对谐振器进行衰减，以增加天线的带宽。有效调谐是提高LF接收器灵敏度的一种措施，但使用环形天线会带来另一个问题。由于天线感测磁场，因此基站（发射器）和接收器之间的方向具有重要影响。电磁理论规定，如果两个线圈在空间中显示90度相移（图3），则次级线圈上的感应电压理论上为零。

图3：磁耦合系统当Rx天线相移90度时，感应电压为零。

在一些精确控制的应用中，发射器线圈和接收器之间的相互定位将是固定的和可预测的：这里确保了有效的通信只要这个固定位置使读卡器的天线和标签的天线在读取阶段彼此平行。如果相互方向不固定且不可预测，则接收器需要一个由三个相互正交的天线组成的三维天线阵列（图4）。

此处描述的载波频率调谐和三维天线的组合不仅扩展接收范围，还允许生成可靠的接收信号强度指示器（RSSI）测量。 RSSI信息在某些应用中很有用，因为它提供了标签和基站之间距离的估计

图4：有源标签内部的三维正交天线阵列。

上述架构可以可靠地满足所需的低平均电流消耗，但是，假设UHF发射器几乎是永久停电。这意味着唤醒接收器必须能够拒绝由噪声或干扰产生的错误唤醒呼叫。在询问器中实现代码或模式生成功能以及接收器中的模式识别功能解决了这个问题。

有源标签在实践中的性能

通常有源标签使用容量约为200 mAh的单个纽扣电池和预期的最小值一生是三年。这意味着平均总电流消耗约为7.6μA。假设UHF发射器平均使用了一半的电流，唤醒接收器可以吸收3.8μA的最大电流。

系统范围的主要限制因素是唤醒接收器的灵敏度。复杂的LF唤醒接收器应提供至少100μV的灵敏度。有源标签即使在恶劣的环境中也能提供非常强大的性能：使用的低频可以穿透甚至极厚的墙壁。即使输出功率低至0 dBm，标签的UHF传输通常也会覆盖所需的范围。

最新的实现LF唤醒接收器的方法是奥地利微电子公司最近推出的AS3933 LF唤醒接收器。在关键参数方面，AS3933在1.7μA的三通道聆听模式下提供典型的电流消耗，典型的唤醒灵敏度为80μVrms，比最接近的竞争产品高出十倍以上。唤醒中断只能通过频率检测触发，但为了保证误唤醒抑制，器件包含一个集成的相关器，可检测可编程的16位或32位曼彻斯特唤醒模式。

频率调谐是一项重要的技术。提高灵敏度和有效范围; AS3933使用片上调谐电容实现自动调谐功能。这降低了材料成本，因为不需要外部高精度调谐电容器，并且还可以简化生产线上的天线检查。此外，片上天线调谐功能为最终用户提供了检查标签和阅读器之间连接状态的方法。