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      RFID干貨專欄|36 閱讀器配件

      2022-05-27 17:17 RFID世界網
      關鍵詞:RFID

      導讀:甘泉老師花費數年之功,撰寫的新書《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發布,本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統性的闡述,干貨滿滿!RFID世界網得到了甘泉老師獨家授權,在RFID世界網公眾號特設專欄,陸續發布本書內容。

      RFID干貨專欄概述

      經過20多年的努力發展,超高頻RFID技術已經成為物聯網的核心技術之一,每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中,中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國,在國家對物聯網發展的大力支持下,行業應用和整個生態的發展十分迅猛。然而,至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

      為了填補這方面的空缺,甘泉老師花費數年之功,撰寫的新書《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發布,本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統性的闡述,干貨滿滿!RFID世界網得到了甘泉老師獨家授權,在RFID世界網公眾號特設專欄,陸續發布本書內容。

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      01、射頻開關

      微波開關又稱射頻開關,實現了控制微波信號通道轉換作用。射頻和微波開關廣泛用于微波測試系統中,用于儀器和待測設備(DUT)之間的信號路由。將開關組合到開關矩陣系統中,可以將來自多個儀器的信號路由到單個或多個DUT。這使得多個測試可以在相同的設置下執行,無需頻繁的連接和斷開連接。整個測試過程可以自動化,從而提高大批量生產環境中的吞吐量。對于需要連接多個天線的閱讀器,當使用射頻開關后,不需要每次切換天線都手動更換射頻接頭,大大提升效率和實時性。

      像其它電氣開關一樣,微波開關為許多不同的應用提供不同的配置:

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

      多端口開關或單刀多擲(SPnT)開關允許一個輸入到多個(三個或更多)輸出路徑。(5.2.4節中相位列陣網關的原理圖中就使用該射頻開關)。

      轉換開關或雙刀雙擲(DPDT)開關可用于各種目的。(5.2.4節中相位列陣網關的原理圖中就使用該射頻開關)。

      旁路開關從信號路徑插入或移除測試組件。

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

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      圖5-64單刀4擲開關的功能框圖

      雖然多個參數與射頻和微波開關的性能相關,然而以下四個由于其相互間較強的相關性而被視為至關重要的參數:隔離度,插入損耗,開關時間,功率處理能力。

      隔離度:隔離度是在指定的端口檢測到的無用信號的衰減程度。高隔離度減少了其它通道信號的影響,保持了測量信號的完整性,降低了系統測量的不確定性。在使用超高頻RFID多端口閱讀器時,經常會出現“串讀”現象,當只啟動天線1工作時,發現盤點到天線2附近的標簽。這個現象在中低端的四口閱讀器中時常出現,是因為采用的射頻開關隔離度差(如30dB),當端口1發射33dBm的信號時,端口2會耦合到3dBm的信號,從而進入天線2,如果有標簽距離天線2非常近,就可以識別到該標簽,標簽的反向數據會從端口2耦合到端口1回到閱讀器接收中,從而引起“串讀”現象。這種“串讀”現象尤其在端口1空載(未連接天線1)失配時更為明顯。

      插入損耗:信號從輸入口進入到輸出口之間會有一個能量損失,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。

      開關時間:當一個開關命令發出后,射頻信號可以穩定傳輸的最小時間。對于超高頻RFID閱讀器的多天線快速識別應用,開關時間的大小也是至關重要的?,F階段超高頻RFID閱讀器常用的SP4T開關多數的延遲在100納秒之內,對系統影響幾乎可以忽略。

      功率處理能力:由于通過電路實現的射頻開關內部存在非線性器件,當大功率通過射頻開關時,射頻信號會發生畸變。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時要非常重視。

      微波開關可分為機電式繼電器開關以及固態開關兩大類。

      機電式繼電器開關的插入損耗較低(<0.1dB),隔離度較高(>85dB),且可以毫秒級的速度切換信號。此類開關的主要優點在于,其可在直流~毫米波(>50 GHz)頻率范圍內工作,而且對靜電放電不敏感。此外,機電式繼電器開關可處理較高的功率水平(達數千瓦的峰值功率)且不發生視頻泄漏。然而,在機電式射頻開關的操作中,開關的標準使用壽命大約只有100萬次,而且其組件對振動較為敏感。

      相比之下,由于固態射頻開關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電式開關。超高頻RFID閱讀器開關一般選擇固態射頻開關。固態射頻開關使用的開關元件為高速硅PIN二極管或場效應晶體管(FET),或者為集成硅或FET單片微波集成電路。這些開關元件與電容器,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二極管電路的開關產品具有更高的功率處理能力,而FET類型的開關產品通常具有更快的開關速度。當然,由于固態開關不包含活動部件,因此其使用壽命是無限的。此外,固態開關的隔離度較高(60~80dB),開關速度極快(<100納秒),電路的耐沖擊/振動性較好。固態射頻開關在插入損耗方面劣于機電式開關。此外,固態射頻開關在低頻應用中具有局限性。這是因為其工作頻率下限只能到千赫級,而非直流。這一局限源于其所使用半導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多天線需求而出現的,其實現方式相對簡單,只需要采用不同的射頻開關。如16端口的天線分配器可以采用2級共5個單刀4擲開關實現,實現方式如圖5-65所示。射頻輸入信號進入后通過第一級單刀4擲開關將一個信號分為4個輸出RFA、RFB、RFC和RFD,同時它們又分接入下一級4個開關的輸入端口,這樣一共有16個輸出端口??刂菩盘枮?比特,前2比特管理第一級開關,可以選中第二級開關中的一個,后2比特同時連接到4個開關,管理這4個開關的輸出口。

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      圖5-6516端口天線分配器實現框圖

      許多閱讀器廠商開發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。該系統可以從原有的4端口擴展為32個端口,需要天線分配器(AntennaHub)和GPIO適配器(GPIO Adapter Kit)。由于閱讀器的GPIO接口數量有限,無法通過閱讀器直接與多個天線分配器相連,因此需要一個GPIO適配器。GPIO適配器的功能是將閱讀器的GPIO信號處理為4路RJ45線纜的控制信號,傳遞給天線分配器,同時給天線分配器供電。與此同時閱讀器的4個端口分別連接4個天線分配器的輸入端口。

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      圖5-66Impin公司提供的天線分配器方案

      采用Impinj的這套32天線系統的優點為系統架設方便,接線簡單,管理也相對容易。其軟件管理也比較簡單,當需要輪詢32個端口時,需要先將閱讀器固定第一個射頻輸出端口,然后再通過GPIO適配器控制第一個天線分配器控制1號輸出端口與閱讀器第一個射頻輸出端口導通,當盤點結束后再切換天線分配器的2號輸出端,當第一個天線分配器的8個輸出端口全部盤點完成后,切換閱讀器的第二個端口。

      這里有一點需要注意的是,天線分配器或多天線的切換邏輯常用的策略有兩種,定時邏輯和盤存邏輯。定時邏輯為,規定好每個天線的工作時間,按時切換,其優點是每個天線都有相同的盤點時間,缺點是可能會出現在尚未盤點結束時時間到了切換到下一個天線,前后兩個盤點區域的效率都有所降低。盤存邏輯為當閱讀器確定該天線覆蓋區域的標簽已經被全部識別后,自動切換下一個天線,這種策略的優勢為效率高。對于大多數場景應用中應選擇盤存邏輯,只有在特殊需要定時管理的場景中可以采用定時邏輯,不過每次盤點的定時時長應足夠長,以保證完全盤點該區域內的標簽。

      03、衰減器

      衰減器是一種提供衰減的電子元器件,廣泛地應用于電子設備中,它的主要用途是:(1)調整電路中信號的大??;(2)在比較法測量電路中,可用來直讀被測網絡的衰減值;(3)改善阻抗匹配,若某些電路要求有一個比較穩定的負載阻抗時,則可在此電路與實際負載阻抗之間插入一個衰減器,能夠緩沖阻抗的變化。在超高頻RFID閱讀器系統中,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用中需要更小的輸出功率,因此需要衰減器的輔助。對于一些小型天線或匹配較差的天線,其載波泄漏非常嚴重,影響閱讀器的工作距離,當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減少,系統靈敏度提高,工作距離反而增加了。

      構成射頻/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絡就是集總參數衰減器。通過一定的工藝把電阻材料放置到不同波段的射頻/微波電路結構中就形成了相應頻率的衰減器。如果是大功率衰減器,體積肯定要加大,需要重點考慮散熱設計。

      衰減器的關鍵參數有頻率響應、衰減參數、接頭類型、功率指標等:

      頻率響應: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之內的衰減器即可滿足要求。

      衰減參數:用于描述傳輸過程中從一端到另一端的信號減少的量值??捎帽稊祷蚍重悢祦肀磉_。常見的衰減參數為3dB、10dB、14dB、20dB不等,最高可達110dB。結構形式一般分兩種形式:固定比例衰減器與步進比例可調衰減器。固定衰減器是指在一定頻率范圍固定比例倍數的衰減器。步進衰減器是以一定固定值(例1dB)等間隔可調比例倍數的衰減器,又分為手動步進衰減器和程控步進衰減器。在實驗室中一般需要一臺步進衰減器,而在實際應用中,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,以上根據使用要求決定;如果連接頭的型式多樣,可以配用相應的連接轉換頭,例:BNC轉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:衰減器將輸入信號能量減小后輸出,因而這部分被衰減的能量都留在衰減器內引起發熱,當留在衰減器的熱量過大時會損壞衰減器,因此需要確定該參數。一般尺寸大的衰減器具有較高的功率指標。

      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。

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      圖5-67SMA接頭衰減器

      在應用中如果需要指定衰減參數的衰減器,而市場上無法找打,可以通過兩個衰減做加法的方式實現。如需要一個13dB的衰減器,可以通過一個3dB的衰減器和一個10dB的衰減器串聯實現。

      04、射頻電纜

      射頻同軸電纜是用于傳輸射頻和微波信號能量的。它是一種分布參數電路,其電長度是物理長度和傳輸速度的函數,這一點和低頻電路有著本質的區別。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泡電纜等幾大類,不同的應用場合應選擇不同類型的電纜。半剛和半柔電纜一般用于設備內部的互聯;在測試和測量領域,應采用柔性電纜;發泡電纜常用于基站天線饋線系統。閱讀器一般采用柔性射頻同軸電纜,如圖5-68所示。

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      圖5-68柔性射頻同軸電纜結構圖

      其中射頻同軸電纜從里到外可分為四層:

      1、芯線:射頻同軸電纜的內導體,其實現方式有:

      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體,其實現方式有:

      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:射頻同軸電纜的內外導體間的支撐介質,決定著射頻同軸電纜的許多電特性和機械特性,其實現方式有:

      實心聚四氟乙烯或聚乙烯;

      高發泡聚四氟乙烯填充;

      高發泡聚乙烯填充;

      高發泡聚四氟乙烯帶包繞;

      藕狀或骨架式空氣混合絕緣支撐;

      空氣介質加1/4波長金屬支撐子。

      4、外皮:射頻同軸電纜的外保護層,其實現方式有:

      聚四氟乙烯或聚乙烯外皮;

      硅橡膠或有機材料編織外皮;

      塑料或金屬鎧管護套。

      射頻電纜的關鍵參數有: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導體外徑d、屏蔽層內徑D和絕緣層的介電常數εr決定。阻抗Z0計算方式為:

      image.png(5-2)

      傳輸損耗:射頻同軸電纜在傳輸微波信號時每百米電纜使信號產生衰減的dB值。

      頻率范圍:電纜廠家推薦的使用頻率范圍。同種結構的電纜,尺寸越小使用頻率范圍越寬。頻率范圍fc計算方式為:

      image.png(5-3)

      屏蔽效率:在特定頻率下電纜射頻泄漏的dB值,由電纜的外導體結構決定。

      絕緣電阻:考核絕緣介質材料特性的一項電性能指標。

      功率容量:與電纜機械尺寸有關的一項電性能指標。

      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,還應考慮電纜的機械特性,使用環境和應用要求,另外,成本也是一個永遠不變的因素。上述介紹中,詳細討論了射頻電纜的各種指標和性能,了解電纜的性能對于選擇一條最佳的閱讀器射頻電纜組件是十分有益的。

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