RFID干货专栏｜36 阅读器配件

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的大力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

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01、射频开关

微波开关又称射频开关，实现了控制微波信号通道转换作用。射频和微波开关广泛用于微波测试系统中，用于仪器和待测设备（DUT）之间的信号路由。将开关组合到开关矩阵系统中，可以将来自多个仪器的信号路由到单个或多个DUT。这使得多个测试可以在相同的设置下执行，无需频繁的连接和断开连接。整个测试过程可以自动化，从而提高大批量生产环境中的吞吐量。对于需要连接多个天线的阅读器，当使用射频开关后，不需要每次切换天线都手动更换射频接头，大大提升效率和实时性。

像其它电气开关一样，微波开关为许多不同的应用提供不同的配置：

单刀双掷（SPDT或1：2）开关将信号从一路输入路由到两路输出路径。

多端口开关或单刀多掷（SPnT）开关允许一个输入到多个（三个或更多）输出路径。（5.2.4节中相位列阵网关的原理图中就使用该射频开关）。

转换开关或双刀双掷（DPDT）开关可用于各种目的。（5.2.4节中相位列阵网关的原理图中就使用该射频开关）。

旁路开关从信号路径插入或移除测试组件。

超高频RFID阅读器多为4端口，因此经常使用SP4T的单刀4掷开关。如图5-64所示为一个单刀4掷开关的功能框图，其中输入端口为RFC，输出端口为RF1、RF2、RF3和RF4，当SP4T的GND和VDD有供电时，该芯片启动，可以通过A、B两个数字输入管脚选择RFC的信号从RF1到RF4中的哪个输出端口。A、B的数字信号通过2：4的TTL译码器后控制开关的打开和闭合，当A=0、B=0（A、B都为低电平）时RF1的端口接通与RFC直连。

图5-64单刀4掷开关的功能框图

虽然多个参数与射频和微波开关的性能相关，然而以下四个由于其相互间较强的相关性而被视为至关重要的参数：隔离度，插入损耗，开关时间，功率处理能力。

隔离度：隔离度是在指定的端口检测到的无用信号的衰减程度。高隔离度减少了其它通道信号的影响，保持了测量信号的完整性，降低了系统测量的不确定性。在使用超高频RFID多端口阅读器时，经常会出现“串读”现象，当只启动天线1工作时，发现盘点到天线2附近的标签。这个现象在中低端的四口阅读器中时常出现，是因为采用的射频开关隔离度差（如30dB），当端口1发射33dBm的信号时，端口2会耦合到3dBm的信号，从而进入天线2，如果有标签距离天线2非常近，就可以识别到该标签，标签的反向数据会从端口2耦合到端口1回到阅读器接收中，从而引起“串读”现象。这种“串读”现象尤其在端口1空载（未连接天线1）失配时更为明显。

插入损耗：信号从输入口进入到输出口之间会有一个能量损失，称为插入损耗。插入损耗越小越好，一般超高频RFID阅读器的单刀4掷开关插入损耗为0.5dB左右。因此在电路完全相同的情况下，采用单端口输出比四端口输出的功率略大。

开关时间：当一个开关命令发出后，射频信号可以稳定传输的最小时间。对于超高频RFID阅读器的多天线快速识别应用，开关时间的大小也是至关重要的。现阶段超高频RFID阅读器常用的SP4T开关多数的延迟在100纳秒之内，对系统影响几乎可以忽略。

功率处理能力：由于通过电路实现的射频开关内部存在非线性器件，当大功率通过射频开关时，射频信号会发生畸变。超高频RFID阅读器的输出功率较大，一般都超过30dBm，因此在选择射频开关时要非常重视。

微波开关可分为机电式继电器开关以及固态开关两大类。

机电式继电器开关的插入损耗较低（<0.1dB），隔离度较高（>85dB），且可以毫秒级的速度切换信号。此类开关的主要优点在于，其可在直流~毫米波（>50 GHz）频率范围内工作，而且对静电放电不敏感。此外，机电式继电器开关可处理较高的功率水平（达数千瓦的峰值功率）且不发生视频泄漏。然而，在机电式射频开关的操作中，开关的标准使用寿命大约只有100万次，而且其组件对振动较为敏感。

相比之下，由于固态射频开关的电路装配较为平坦且不包含较大的元器件，因此其封装厚度较小且物理尺寸通常小于机电式开关。超高频RFID阅读器开关一般选择固态射频开关。固态射频开关使用的开关元件为高速硅PIN二极管或场效应晶体管（FET），或者为集成硅或FET单片微波集成电路。这些开关元件与电容器，电感器和电阻器等其它芯片组件分立集成于同一电路板上。使用PIN二极管电路的开关产品具有更高的功率处理能力，而FET类型的开关产品通常具有更快的开关速度。当然，由于固态开关不包含活动部件，因此其使用寿命是无限的。此外，固态开关的隔离度较高（60~80dB），开关速度极快（<100纳秒），电路的耐冲击/振动性较好。固态射频开关在插入损耗方面劣于机电式开关。此外，固态射频开关在低频应用中具有局限性。这是因为其工作频率下限只能到千赫级，而非直流。这一局限源于其所使用半导体二极管固有的载流子寿命特性。

02、天线分配器

天线分配器英文名叫做AntennaHub，是基于超高频RFID多天线需求而出现的，其实现方式相对简单，只需要采用不同的射频开关。如16端口的天线分配器可以采用2级共5个单刀4掷开关实现，实现方式如图5-65所示。射频输入信号进入后通过第一级单刀4掷开关将一个信号分为4个输出RFA、RFB、RFC和RFD，同时它们又分接入下一级4个开关的输入端口，这样一共有16个输出端口。控制信号为4比特，前2比特管理第一级开关，可以选中第二级开关中的一个，后2比特同时连接到4个开关，管理这4个开关的输出口。

图5-6516端口天线分配器实现框图

许多阅读器厂商开发了支持自家阅读器的专用天线分配器和配套控制单元。如图5-66所示为Impinj公司提供的天线分配器方案。该系统可以从原有的4端口扩展为32个端口，需要天线分配器（AntennaHub）和GPIO适配器（GPIO Adapter Kit）。由于阅读器的GPIO接口数量有限，无法通过阅读器直接与多个天线分配器相连，因此需要一个GPIO适配器。GPIO适配器的功能是将阅读器的GPIO信号处理为4路RJ45线缆的控制信号，传递给天线分配器，同时给天线分配器供电。与此同时阅读器的4个端口分别连接4个天线分配器的输入端口。

图5-66Impin公司提供的天线分配器方案

采用Impinj的这套32天线系统的优点为系统架设方便，接线简单，管理也相对容易。其软件管理也比较简单，当需要轮询32个端口时，需要先将阅读器固定第一个射频输出端口，然后再通过GPIO适配器控制第一个天线分配器控制1号输出端口与阅读器第一个射频输出端口导通，当盘点结束后再切换天线分配器的2号输出端，当第一个天线分配器的8个输出端口全部盘点完成后，切换阅读器的第二个端口。

这里有一点需要注意的是，天线分配器或多天线的切换逻辑常用的策略有两种，定时逻辑和盘存逻辑。定时逻辑为，规定好每个天线的工作时间，按时切换，其优点是每个天线都有相同的盘点时间，缺点是可能会出现在尚未盘点结束时时间到了切换到下一个天线，前后两个盘点区域的效率都有所降低。盘存逻辑为当阅读器确定该天线覆盖区域的标签已经被全部识别后，自动切换下一个天线，这种策略的优势为效率高。对于大多数场景应用中应选择盘存逻辑，只有在特殊需要定时管理的场景中可以采用定时逻辑，不过每次盘点的定时时长应足够长，以保证完全盘点该区域内的标签。

03、衰减器

衰减器是一种提供衰减的电子元器件，广泛地应用于电子设备中，它的主要用途是：（1）调整电路中信号的大小；（2）在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值；（3）改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。在超高频RFID阅读器系统中，衰减器的作用主要是（1）和（3）。由于阅读器的输出功率最小值一般为5dBm或15dBm，在一些需要距离控制的应用中需要更小的输出功率，因此需要衰减器的辅助。对于一些小型天线或匹配较差的天线，其载波泄漏非常严重，影响阅读器的工作距离，当接入衰减器后虽然天线端口的输出功率有所下降，但其阻抗特性有很大的改善，阅读器端口的输入反射系数减少，系统灵敏度提高，工作距离反而增加了。

构成射频/微波功率衰减器的基本材料是电阻性材料。通常的电阻是衰减器的一种基本形式，由此形成的电阻衰减器网络就是集总参数衰减器。通过一定的工艺把电阻材料放置到不同波段的射频/微波电路结构中就形成了相应频率的衰减器。如果是大功率衰减器，体积肯定要加大，需要重点考虑散热设计。

衰减器的关键参数有频率响应、衰减参数、接头类型、功率指标等：

频率响应：即频率带宽，一般用兆赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）表示。通用的衰减器一般带宽为5GHz左右，最高要到50GHz。超高频RFID阅读器常用的工作频率为800MHz到900MHz之间，一般选择3GHz之内的衰减器即可满足要求。

衰减参数：用于描述传输过程中从一端到另一端的信号减少的量值。可用倍数或分贝数来表达。常见的衰减参数为3dB、10dB、14dB、20dB不等，最高可达110dB。结构形式一般分两种形式：固定比例衰减器与步进比例可调衰减器。固定衰减器是指在一定频率范围固定比例倍数的衰减器。步进衰减器是以一定固定值（例1dB）等间隔可调比例倍数的衰减器，又分为手动步进衰减器和程控步进衰减器。在实验室中一般需要一台步进衰减器，而在实际应用中，都采用小型的固定衰减器。

接头类型：连接头形式分为BNC型、N型、TNC型、SMA型、SMC型等，同时连接头形状具有阴、阳两种。连接尺寸分为公制与英制形式，以上根据使用要求决定；如果连接头的型式多样，可以配用相应的连接转换头，例：BNC转N型头等。在阅读器配套的衰减器中常用TNC型和SMA型。

功率指标：衰减器将输入信号能量减小后输出，因而这部分被衰减的能量都留在衰减器内引起发热，当留在衰减器的热量过大时会损坏衰减器，因此需要确定该参数。一般尺寸大的衰减器具有较高的功率指标。

如图所示为一款阅读器常用的SMA接头衰减器，工作频率为DC到4GHz，衰减10dB，额定功率2W。

图5-67SMA接头衰减器

在应用中如果需要指定衰减参数的衰减器，而市场上无法找打，可以通过两个衰减做加法的方式实现。如需要一个13dB的衰减器，可以通过一个3dB的衰减器和一个10dB的衰减器串联实现。

04、射频电缆

射频同轴电缆是用于传输射频和微波信号能量的。它是一种分布参数电路，其电长度是物理长度和传输速度的函数，这一点和低频电路有着本质的区别。射频同轴电缆大致可分为半刚和半柔电缆、柔性编织电缆和物理发泡电缆等几大类，不同的应用场合应选择不同类型的电缆。半刚和半柔电缆一般用于设备内部的互联；在测试和测量领域，应采用柔性电缆；发泡电缆常用于基站天线馈线系统。阅读器一般采用柔性射频同轴电缆，如图5-68所示。

图5-68柔性射频同轴电缆结构图

其中射频同轴电缆从里到外可分为四层：

1、芯线：射频同轴电缆的内导体，其实现方式有：

单根或多根无氧铜线；

单根钢包铜线；

单根铝包铜线；

铝管或波纹铜管。

2、屏蔽层：射频同轴电缆的外导体，其实现方式有：

单层或多层多股铜线纺织层；

单层多股铜线纺织层加铝薄；

单层铝薄加镀银铜带包绕层；

一层铜管或波纹铜管。

3、绝缘层：射频同轴电缆的内外导体间的支撑介质，决定着射频同轴电缆的许多电特性和机械特性，其实现方式有：

实心聚四氟乙烯或聚乙烯；

高发泡聚四氟乙烯填充；

高发泡聚乙烯填充；

高发泡聚四氟乙烯带包绕；

藕状或骨架式空气混合绝缘支撑；

空气介质加1／4波长金属支撑子。

4、外皮：射频同轴电缆的外保护层，其实现方式有：

聚四氟乙烯或聚乙烯外皮；

硅橡胶或有机材料编织外皮；

塑料或金属铠管护套。

射频电缆的关键参数有：特性阻抗、传输损耗、频率范围，屏蔽效果。功率容量等：

特性阻抗：由射频同轴电缆的内导体外径d、屏蔽层内径D和绝缘层的介电常数εr决定。阻抗Z0计算方式为：

（5-2）

传输损耗：射频同轴电缆在传输微波信号时每百米电缆使信号产生衰减的dB值。

频率范围：电缆厂家推荐的使用频率范围。同种结构的电缆，尺寸越小使用频率范围越宽。频率范围fc计算方式为：

（5-3）

屏蔽效率：在特定频率下电缆射频泄漏的dB值，由电缆的外导体结构决定。

绝缘电阻：考核绝缘介质材料特性的一项电性能指标。

功率容量：与电缆机械尺寸有关的一项电性能指标。

射频电缆组件的正确选择除了频率范围，驻波比，插入损耗等因素外，还应考虑电缆的机械特性，使用环境和应用要求，另外，成本也是一个永远不变的因素。上述介绍中，详细讨论了射频电缆的各种指标和性能，了解电缆的性能对于选择一条最佳的阅读器射频电缆组件是十分有益的。