采用RF芯片組的下一代RFID閱讀器
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UHF RFID 1W 閱讀器的RF部分通常包含大量的不同半導(dǎo)體制造工藝的RF元件。本文討論下一代RFID(射頻識(shí)別)閱讀器如何采用新的集成元件來(lái)簡(jiǎn)化RFID閱讀器的設(shè)計(jì)。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/81874.htm美國(guó)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(dāng)今在美國(guó)的大多數(shù)1W閱讀器是為低密度用戶設(shè)計(jì)的，其發(fā)射和帶外要求是由FCC確定。對(duì)于美國(guó)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(jí)。對(duì)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(gè)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(jiàn)表1。頻率合成器為了能為T(mén)X(發(fā)送)和RX(接收)信號(hào)通路提供合適的LO輸入，必須放大合成器之后的信號(hào)。
對(duì)于源模塊，關(guān)鍵是要適應(yīng)性強(qiáng)，這樣單塊PC板可以用于處理所有不同的頻段。用一個(gè)集成合成器/VCO集成電路，采用不同的電感值可以對(duì)準(zhǔn)VCO頻段的中心。日本頻段比美國(guó)和歐洲頻段要求更快的開(kāi)關(guān)速度，這仍然可以用5KHz BW(帶寬)環(huán)形濾波器實(shí)現(xiàn)，但需用不同的元件值。在功率分配器中需要有20dB量級(jí)的隔離?；诔杀究紤]，一般采用單片窄帶功率分配器，但對(duì)于 850~960MHz，它不是最佳的。為了使每個(gè)隔離最佳，采用調(diào)節(jié)電感器和/或電容器重新對(duì)準(zhǔn)功率分配器隔離。
為了減小尺寸和減少整個(gè)元件數(shù)，必須組合各種各樣的元件來(lái)構(gòu)成一個(gè)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(gè)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(hào)從板頂部到印刷電路板。一般采用LGA封裝。為了保證較強(qiáng)的機(jī)械連接和低感性地連接，在封裝的中心應(yīng)該有幾個(gè)大的地貼片。較大的貼片(如20×60mm2)能提供比邊緣蝶形更強(qiáng)的連接。
合成器的設(shè)計(jì)和封裝應(yīng)該使RF屏蔽最大。
發(fā)送模塊拓?fù)?br />
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(gè)元件最佳化，混頻器和級(jí)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(hào)增益超過(guò)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(yuǎn)離功率放大器的地。圖2是此方案的電路拓?fù)?。外表上，只需要少量旁路電容器和一般的高頻技術(shù)來(lái)實(shí)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(shì)。
發(fā)送模塊拓?fù)?/strong>
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(gè)優(yōu)點(diǎn)。這是封裝多芯片的一個(gè)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(lái)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(hào)發(fā)送調(diào)制。所包含的LO放大器增大來(lái)自源模塊的信號(hào)到足夠電平來(lái)驅(qū)動(dòng)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(gè)簡(jiǎn)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(jí)器件實(shí)現(xiàn)的功率放大器提供35dB小信號(hào)增益。在發(fā)送模塊中也包含一個(gè)ITN。此網(wǎng)絡(luò)的用途是變換50Ω負(fù)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(duì)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(dāng)處理電路寄生干擾。此電路需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)高性能和可靠性。
在HMIC中不考慮實(shí)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(lái)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(jì)人員提供最大靈活性。該點(diǎn)信號(hào)通路可以插入一個(gè)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(lái)克服傳輸模塊輸出和天線之間的信號(hào)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(duì)于指定的數(shù)據(jù)率沒(méi)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(wú)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(shí)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(hào)，其中每個(gè)符號(hào)可以表示為1或多位。接收器的工作是識(shí)別發(fā)送器所發(fā)送的符號(hào)，甚至在有噪聲和失真的情況。引起無(wú)線通信中的失真原因可能是信號(hào)通過(guò)沒(méi)有足夠帶寬的濾波器或非線性元件效率差的開(kāi)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(shí)延擴(kuò)展和噪聲。在不同時(shí)間接收同一信號(hào)的多種變形時(shí)會(huì)發(fā)生時(shí)延擴(kuò)展。這發(fā)生在傳輸信號(hào)到接收器的路上被多個(gè)物件反射。
隨著無(wú)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(jì)人員再次把注意力集中在收發(fā)器上，尋求有助于達(dá)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(dú)特的特性。工作中，閱讀器天線以無(wú)線電波形式發(fā)送電磁能量，此電磁能量指向 RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽吸收能量，并通過(guò)其內(nèi)置的微芯片/二極管，用它來(lái)改變天線負(fù)載，反過(guò)來(lái)反射回一個(gè)變化的信號(hào)到閱讀器。此方法稱之為背反射，而且是被動(dòng)式RFID標(biāo)簽識(shí)別存在的基礎(chǔ)。這些背反射信號(hào)的頻率本質(zhì)上與發(fā)射信號(hào)相同。采用零拍檢測(cè)，在零拍檢測(cè)中調(diào)制前的發(fā)射信號(hào)取樣用作接收I/Q解調(diào)器的LO源。發(fā)射和接收信號(hào)具有相同的頻率會(huì)加重弱反射信號(hào)恢復(fù)的難度，它必須識(shí)別較高功率載波頻率的存在。因此，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以選擇發(fā)射器元件來(lái)改善整個(gè)信噪比，并使LO載波損失最小。I/O解調(diào)器是一個(gè)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(duì)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(jì)。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(dòng)功率的關(guān)系。
總諧波抑制性能
每個(gè)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(gè)到地的并聯(lián)電容器來(lái)防止任何RF頻率進(jìn)入模塊。
結(jié)語(yǔ)
對(duì)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(chǎng)和降低元件數(shù)量。
評(píng)論