最近在低頻接收機(jī)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)降低了功耗，同時(shí)提高了接收機(jī)性能，有望擴(kuò)大可實(shí)現(xiàn)有源RFID系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

RFID（射頻識(shí)別）是一種流行的應(yīng)用技術(shù)例如資產(chǎn)跟蹤和后勤支持，以及監(jiān)控和訪(fǎng)問(wèn)控制，它們有時(shí)也被稱(chēng)為“實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)”。到目前為止，大多數(shù)遠(yuǎn)程RFID實(shí)施都采用了超高頻（UHF）讀卡器工作在915 MHz頻段，與無(wú)源標(biāo)簽相結(jié)合。沒(méi)有自主電源的無(wú)源標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的電磁輻射產(chǎn)生能量，并通過(guò)改變它們的阻抗（反向散射）與閱讀器通信。因此，無(wú)源標(biāo)簽的范圍有限。但是，某些RFID系統(tǒng)需要在對(duì)RF傳輸具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行，例如深礦，金屬集裝箱內(nèi)部和內(nèi)部建筑物墻壁砌體當(dāng)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)必須穿過(guò)諸如巖石，液體，磚石或金屬等障礙物時(shí)，難以通過(guò)無(wú)源RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的傳輸。

對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員必須使用有源RFID系統(tǒng)，其中標(biāo)簽包括自己的電池電源。這樣就可以將有源傳輸返回到讀取器的高功率UHF信號(hào)，這可以始終如一地實(shí)現(xiàn)比無(wú)源標(biāo)簽所能提供的更長(zhǎng)的范圍。

圖1：有源標(biāo)簽的系統(tǒng)框圖有源RFID系統(tǒng)（圖1）的基本作用是由低頻（LF）接收器播放，該接收器喚醒系統(tǒng)并觸發(fā)UHF傳輸。本文探討了LF接收器設(shè)計(jì)的最新增強(qiáng)功能，這些功能可在降低功耗的同時(shí)提高接收器性能，有望擴(kuò)大有源RFID系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

有源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)是非常長(zhǎng)的電池壽命和長(zhǎng)距離 - 乍一看似乎彼此沖突的兩個(gè)要求。同時(shí)，標(biāo)簽必須適合小尺寸，因此使用大電池實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)電池壽命并不是一個(gè)可行的選擇。

這些限制解釋了為什么圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)發(fā)展。詢(xún)問(wèn)器（基站）由LF發(fā)射器和UHF接收器組成，而標(biāo)簽由LF喚醒接收器和UHF發(fā)射器組成。詢(xún)問(wèn)器周期性地（通常每秒一次）發(fā)送LF模式。在傳輸之后，UHF接收器被打開(kāi)以檢查來(lái)自標(biāo)簽的回復(fù)。在標(biāo)簽處，只有喚醒接收器在正常操作中有效;每當(dāng)標(biāo)簽在詢(xún)問(wèn)器的范圍內(nèi)時(shí)，接收器在檢測(cè)到它識(shí)別的模式時(shí)喚醒UHF發(fā)射器（上行鏈路）。只有這樣，UHF發(fā)送器才能將明確識(shí)別標(biāo)簽所需的信息傳送給詢(xún)問(wèn)器。這種架構(gòu)允許UHF無(wú)線(xiàn)電幾乎連續(xù)地保持在斷電模式因此，就功率而言，LF接收器是最重要的元素，因?yàn)樗俏ㄒ槐仨毷冀K保持活動(dòng)的元素。靈敏度是LF接收器的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)槟繕?biāo)應(yīng)用中的信號(hào)可能會(huì)因距離和物理障礙而衰減。

對(duì)于有源標(biāo)簽，電池壽命要求是三年（最?。?，來(lái)自簡(jiǎn)單的紐扣電池等作為CR2032。這種約束意味著標(biāo)簽的電流消耗應(yīng)限制在接收模式下的電池漏電流以下。這反過(guò)來(lái)又使得工作頻率的選擇變得非常重要。為了實(shí)現(xiàn)低功率要求，接收器必須在《300 kHz下工作。如今的RFID系統(tǒng)通常使用125 kHz或134 kHz頻率。這就產(chǎn)生了無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)中的第一個(gè)挑戰(zhàn)：在如此低的頻率下，波長(zhǎng)很大，需要相應(yīng)大的天線(xiàn)。成功的設(shè)計(jì)使用環(huán)形天線(xiàn)，其僅感測(cè)磁場(chǎng)（H）。環(huán)形天線(xiàn)本質(zhì)上是由鐵氧體線(xiàn)圈組成的電感器。如圖2所示，基站中的LF發(fā)射器和標(biāo)簽中的LF接收器一起工作就像一個(gè)變壓器，其中發(fā)射器處的電感器是初級(jí)線(xiàn)圈，接收器處的電感器是次級(jí)線(xiàn)圈。

圖2：使用磁耦合的傳輸方案。為了增加發(fā)射器產(chǎn)生的磁場(chǎng)和接收器拾取的電壓，兩個(gè)線(xiàn)圈都用電容器調(diào)諧，以便在載波頻率?？梢允褂貌⒙?lián)電阻器對(duì)諧振器進(jìn)行衰減，以增加天線(xiàn)的帶寬。有效調(diào)諧是提高LF接收器靈敏度的一種措施，但使用環(huán)形天線(xiàn)會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題。由于天線(xiàn)感測(cè)磁場(chǎng)，因此基站（發(fā)射器）和接收器之間的方向具有重要影響。電磁理論規(guī)定，如果兩個(gè)線(xiàn)圈在空間中顯示90度相移（圖3），則次級(jí)線(xiàn)圈上的感應(yīng)電壓理論上為零。

圖3：磁耦合系統(tǒng)當(dāng)Rx天線(xiàn)相移90度時(shí)，感應(yīng)電壓為零。

在一些精確控制的應(yīng)用中，發(fā)射器線(xiàn)圈和接收器之間的相互定位將是固定的和可預(yù)測(cè)的：這里確保了有效的通信只要這個(gè)固定位置使讀卡器的天線(xiàn)和標(biāo)簽的天線(xiàn)在讀取階段彼此平行。如果相互方向不固定且不可預(yù)測(cè)，則接收器需要一個(gè)由三個(gè)相互正交的天線(xiàn)組成的三維天線(xiàn)陣列（圖4）。

此處描述的載波頻率調(diào)諧和三維天線(xiàn)的組合不僅擴(kuò)展接收范圍，還允許生成可靠的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）測(cè)量。 RSSI信息在某些應(yīng)用中很有用，因?yàn)樗峁┝藰?biāo)簽和基站之間距離的估計(jì)

圖4：有源標(biāo)簽內(nèi)部的三維正交天線(xiàn)陣列。

上述架構(gòu)可以可靠地滿(mǎn)足所需的低平均電流消耗，但是，假設(shè)UHF發(fā)射器幾乎是永久停電。這意味著喚醒接收器必須能夠拒絕由噪聲或干擾產(chǎn)生的錯(cuò)誤喚醒呼叫。在詢(xún)問(wèn)器中實(shí)現(xiàn)代碼或模式生成功能以及接收器中的模式識(shí)別功能解決了這個(gè)問(wèn)題。

有源標(biāo)簽在實(shí)踐中的性能

通常有源標(biāo)簽使用容量約為200 mAh的單個(gè)紐扣電池和預(yù)期的最小值一生是三年。這意味著平均總電流消耗約為7.6μA。假設(shè)UHF發(fā)射器平均使用了一半的電流，喚醒接收器可以吸收3.8μA的最大電流。

系統(tǒng)范圍的主要限制因素是喚醒接收器的靈敏度。復(fù)雜的LF喚醒接收器應(yīng)提供至少100μV的靈敏度。有源標(biāo)簽即使在惡劣的環(huán)境中也能提供非常強(qiáng)大的性能：使用的低頻可以穿透甚至極厚的墻壁。即使輸出功率低至0 dBm，標(biāo)簽的UHF傳輸通常也會(huì)覆蓋所需的范圍。

最新的實(shí)現(xiàn)LF喚醒接收器的方法是奧地利微電子公司最近推出的AS3933 LF喚醒接收器。在關(guān)鍵參數(shù)方面，AS3933在1.7μA的三通道聆聽(tīng)模式下提供典型的電流消耗，典型的喚醒靈敏度為80μVrms，比最接近的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品高出十倍以上。喚醒中斷只能通過(guò)頻率檢測(cè)觸發(fā)，但為了保證誤喚醒抑制，器件包含一個(gè)集成的相關(guān)器，可檢測(cè)可編程的16位或32位曼徹斯特喚醒模式。

頻率調(diào)諧是一項(xiàng)重要的技術(shù)。提高靈敏度和有效范圍; AS3933使用片上調(diào)諧電容實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧功能。這降低了材料成本，因?yàn)椴恍枰獠?a target="_blank">高精度調(diào)諧電容器，并且還可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)線(xiàn)上的天線(xiàn)檢查。此外，片上天線(xiàn)調(diào)諧功能為最終用戶(hù)提供了檢查標(biāo)簽和閱讀器之間連接狀態(tài)的方法。