摘 要： 簡要介紹射頻IC系統的結構，并針對現有射頻IC系統接收電路的不足，通過調整混頻器增益、混頻管之間距離和工作頻率等方法，實現對接收電路的優化。通過仿真，證明了優化的有效性。
關鍵詞： 射頻IC系統；接收電路；優化
射頻IC卡成功地將射頻識別技術和大規模集成電路技術結合起來，通過無線方式傳輸能量和數據，從根本解決了卡內能量來源和非接觸交易兩大難題。除了具有IC卡固有的存儲容量大、安全性高、應用范圍廣、對網絡要求低等特點外，還有獨特的優點，例如：應用的可靠性高、保密性高、操作速度快、可識別高速運動的IC卡、可同時處理多任務、可實現一卡多用等[1]。接收電路是射頻IC卡系統中重要組成部分，射頻IC卡通過接收電路與IC卡和外部通信。本文設計優化了一個性能優良的射頻IC系統接收電路。
1 射頻IC系統硬件組成
射頻IC系統由讀寫器和射頻IC卡兩部分組成[2]，如圖1所示。讀寫器是尋呼器，通過射頻信號同射頻IC卡通信，并給IC卡提供工作所需要的能量。系統通過讀寫器給射頻IC卡發送指令，并通過讀寫器分析射頻IC卡返回的有關信息；射頻IC卡是應答器，通過天線從讀寫器天線的RF電磁場中得到能量、指令和數據，根據讀寫器的指令進行處理并報告處理結果。
讀寫器端由MCU、RF模塊、EEPROM和電源電路、時鐘產生電路、時間電路、LED、GAL、RS232接口以及天線等部分組成。其中，MCU用于控制和協調讀寫器各功能模塊的工作，RF模塊和天線實現了與射頻IC卡之間的通信；EEPROM是MCU的擴展存儲器，用于存放指令和數據；電源電路、時鐘產生電路用來產生系統正常工作所需的電壓和時鐘信號；時間電路向系統提供時間信息；LED為可視化接口；RS232接口是系統和終端之間的通信接口，通常也可以是RS485、RS422接口形式；GAL用于匹配系統的時序，并為將來可能的FO擴展提供接口。
在射頻IC卡端，由天線和內部電路兩部分組成。天線是讀寫器和非接觸式IC卡之間信號和能量傳遞的中介，IC卡內部電路則根據讀寫器的指令，做出相應的操作和響應。
2 射頻IC系統接收電路的設計
根據ISO/IEC 18000-6 Type B協議規范，按照射頻電路的指標要求，確定系統方案框架如圖2所示。其中，接收電路工作過程如下：天線接收到的返回信號被耦合到接收電路中，經過混頻和放大之后送至解調器，解調器應用發射頻率進行零中頻解調，并將TTL電平的解調信號傳輸到數字電路。
本文只對接收電路的設計進行詳細敘述。
接收電路的功能表明，這部分電路的性能決定著射頻電路的讀卡能力，是整個射頻IC系統接口電路的關鍵，也是優化的重點。采用零中頻解調方案實現的接收電路原理框圖如圖3所示。
其中：UR為來自標簽的回波信號；UL為來自發射電路頻率源的本振信號；DA為差分放大器；Comp1和Comp2為2個電壓比較器；A、B、C和D分別是4個混頻二極管與微帶線的連接點。
在接收電路中，最為關鍵的是解調，這里以電壓比較器Comp1為例介紹解調原理。圖3中，A點與B點之間的間距為工作波長的四分之一，即λg/4。設在A點的本振信號和回波信號分別為：VLA=Acos(ωt+α)和VRA=B(t)cos(ωt+α)。其中，A為本振信號的幅度；B(t)為回波信號的調制信號，也即要提取出來的信息，且有|B(t)|<<|A|。
用于混頻的非線性器件為肖特基二極管。根據肖特基二極管的混頻特性，這2個信號在A點進行混頻后，輸出信號包括：直流成分、零中頻成分、基波成分和高次諧波成分。這些信號通過一個帶通濾波器，濾除直流、基波和高次諧波后，僅剩余零中頻信號VOA，即通過一次混頻和一次濾波就直接得到了基帶信號，VOA=xB(t)cos(α-β)，其中x是與具體器件參數以及本振電壓有關的一個常數。
對于這種情況，通常采用的辦法是：再增加一組解調電路，使2組解調電路的模糊點不重合。這種方法已有很多文獻闡述，下面重點研究對此電路的優化設計。
3 射頻IC系統接收電路的優化設計
3.1 混頻器的變頻增益優化
在系統接收電路中，混頻器的作用很大，因此對其進行優化能明顯改進系統性能。實際電路中，用于混頻的肖特基二極管與微帶線之間采用一個電容實現信號的耦合。對于肖特基二極管的選取原則是：截止頻率至少十倍于本振頻率f0，串聯電阻Rs越小越好。該條件對應的零偏壓結電容Cj0應滿足：
。本文選取肖特基二極管對應的參數為：Cj0=0.7 pF，Rs=6 Ω。圖4和圖5是在無耦合電容以及耦合電容為2 pF兩種情況下，根據電路實際使用時本振功率Plo的變化范圍得到的變頻增益CG的仿真結果。
由圖4和圖5可知，混頻器的變頻增益變化幅度小于0.5 dB，即本振功率的變化基本上不會影響混頻器的變頻增益。另外，耦合電容的加入會影響混頻器的變頻增益。圖6是在本振功率Plo=30 dBm情況下，對耦合電容進行掃描，得到的變頻增益與耦合電容之間的關系曲線。
通過以上分析，可知使變頻增益最大的耦合電容值為10 pF。
3.2 混頻管之間相移距離優化
由以上分析可知，相移距離主要能夠影響混頻后2個調制信號的共模和差模成分的大小，而這又會影響差分放大器的效率，從而對整個電路產生影響。因此，要想使濾波器輸出的調制信號得到效率最高的放大，就要求差模信號幅度最大，即|fA-B|最大，問題可轉化為求解下式的最大值：f(φ)=x2-2xycos2φ+y2。其中，對于確定的電路，x和y是正負號相同的常數，函數僅由相移距離φ決定，其關系曲線如圖7所示。
3.3 工作頻率選取的優化
從讀寫器的電磁環境看，GSM手機的工作頻段（890 MHz~960 MHz）與射頻IC的工作頻段是有重疊的，室內工作也會產生多徑效應，這些都會引起同頻干擾。為減小干擾，讀寫器的工作頻率可以使用跳頻方式。因為IC卡沒有發射機，是通過反射讀寫器的信號實現通信的，因此，使用跳頻方式就不用考慮跳頻圖案的問題，只需要在工作頻帶內實現讀寫器載波頻率的跳變即可。
根據采取的實際芯片，通過鎖相環實現跳頻的頻率間隔約為30 kHz，建立時間小于12 ms。系統頻段內的頻率與中心頻率在真空中波長上最大差距為5 mm左右，對應的工作波長的差別只有2~3 mm，對應的?漬的差別只有0.1(弧度)左右。由圖7可知，頻帶內的放大幅度就在最大值附近一個很小的范圍內。所以，跳頻方式是可行的。跳頻的頻率間隔、時間間隔、跳變規律等設定，都由系統控制軟件實現。此外，考慮到可能存在的多讀寫器互擾問題，可以采用分區段隨機跳頻的控制方式。根據在統一區域內工作的讀寫器的數量動態地將整個頻帶進行劃分，工作時各自的載波頻率在自己的小頻段內隨機跳變。這樣既能減小GSM信號的干擾，又能避免讀寫器之間相互干擾。原設計采用的是由用戶指定工作頻率的方式，相對于跳頻方式，抗干擾能力較差。由于同頻信號的干擾，經常出現短時間內不能有效工作的現象。
此外，對整個接收電路的優化還可以在帶通濾波器和模糊點消除上切入，但考慮到此類技術已經比較成熟，因此不在此闡述。
本文針對當前射頻IC系統的應用越來越廣、需求越來越多的現狀，對已有系統的IC接口電路進行優化，從混頻器增益、混頻管之間距離和工作頻率切入，具有一定的新意。最后還通過仿真軟件證明了優化的有效性。下一步的工作是帶通濾波器與模糊點消除的優化結合，從而在整個系統上完成優化并實現。
參考文獻
[1] LESLEE N.H，TIM C.RFID opportunities and risks.Journal of Corporate Accounting & Finance.2006，17：51-57.
[2] XIAO Yang，YU Sen Hua，WU Kui.Radio frequency identification：technologies，applications，and research issues.Wireless Communications and Mobile Computing.2007，7(3)：457-472.
[3] 陳林林，孫仁云．基于89C52的IC卡讀／寫器的設計與應用[J].四川工業學院學報，2004(增刊)：ll6-ll9.
[4] 張培仁．基于C語言編程MCS一5l單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.