应用于矿井的RFID应答器设计

摘要：采用RFID(射频识别)芯片IA4420设计了一款主动式应答器，主要应用于矿井安全生产管理。其工作中心频率为905 MHz，数据通信的核心部分是印刷偶极子天线，从仿真结果来看：其相对带宽约为40％，增益约为4．236 dB，输入阻抗接近纯电阻50 Ω，性能参数较好。
关键词：RFID应答器；IA4420；偶极子天线；矿井

    矿井生产管理一直是人们十分关注的问题，而新兴技术RFID(射频识别)的引入，在矿井井下人员的生产调度和安全跟踪管理上发挥了突出的作用。RFID系统组成为：应答器、读卡器和上位机。井下基站里的读卡器不断地向其周围发送无线信号，矿工随身携带的应答器进入信号覆盖区后被激活，将保存在其内的员工数据信息发送给读卡器，读卡器接收到该数据后，将代表巷道地理位置的基站编码连同收到的员工数据一起打包送至地面计算机。文中重点阐述了应答器的设计：包括控制器、RFID芯片、偶极子天线。

1 控制器与RFID芯片
    从图1看出应答器的硬件结构较为简单，控制器与RFID芯片均采用小型贴片封装，天线设计成印刷偶极子结构，较好地实现了天线尺寸的小型化。

    控制器C8051F41O是Silicon Laboratories公司出品的一种内置增强型SPI接口、完全集成的低功耗混合信号片上MCU，高速、流水线结构的8051兼容微控制器核，2 304字节片内RAM，多达24个I／O端口。
    IA4420射频芯片是一款单芯片、低功耗、多频段的FSK收发器，它支持SPI通信协议，其内部集成了所有必需的射频功能，外围只需1个MCU、1个晶振和旁路滤波电容就可组成一个高可靠性的收发系统，具有设计简单、成本低、生产免调试的特点。在无需外加功放的情况下，通信距离可达到200 m以上。可工作在315／433／868／915 MHz 4个频段。

    该命令寄存器高12-15位取固定值1010；中间12位参数F(f11-f0)用于设置工作频率，其取值范围为96～3 903。合成器的输出中心频率分别表示为：
    315频段：fo=310+F*0．002 5(MHz)       (1)
    433频段：fo=430+F*0．002 5(MHz)       (2)
    868频段：fo=860+F*0．007 5(MHz)       (3)
    915频段：fo=900+F*0．007 5(MHz)       (4)
    控制器与RFID芯片通信使用的5个信号为SDI、SDO、SCK、nIRQ和nSEL。SDI、SDO用于串行数据传输；SCK用于主器件和从器件之间串行数据传输的同步时钟；nIRQ在传输完一帧数据后发出中断请求；nSEL用于选择工作方式。

2 天线设计
    天线是应答器设计最为关键的部分。图2的天线结构图采用弯曲振子臂结构的小型化印刷偶极子天线。馈电方式为微带通孔巴伦，基板底层为天线臂、巴伦线和接地板，顶层为馈线，通过通孔相连两层，在给定介质基板FR4(玻璃布环氧树脂)上刻蚀铜贴片制成。拟定中心频率为905 MHz，输入阻抗接近纯电阻50 Ω。天线等效电路如图3所示。

    定义Zin为天线的输入阻抗，图3中所示的虚线框内为天线振子臂和接地板的等效输入阻抗Zc。Za为馈线的特性阻抗，可由1／4阻抗变换器转换得到。Zb为短路线的特性阻抗，Zab为偶极子天线臂之间的缝隙等效特性阻抗。用θa、θb和θab代表各部分的电长度，则根据传输线理论分析如下：
   
    在该电路结构中，是用特性阻抗Zab的短路线来实现不平衡列平衡的转换，传输线的外导体截面积相同，可以通过改变二者之间的距离来调节Zab的值，使(5)式满足：Zc=ZL。阻抗变换作用是靠特件阻抗为Za段来完成，且有；ZL是天线辐射阻抗，ZF是馈电端口阻抗。对于半波振子天线，可以近似把天线输入阻抗看作是辐射阻抗，即有：

    f是工作频率，μ是磁导率，γ是电导率，λ是工作波长。
    在最初的设计中，天线振臂和微带馈线的长度均取λ／4左右，振臂宽度取λ0。介质材料选用玻璃。
    布环氧树脂(FR-4)，介质长L=81 mm、宽W=63 mm、厚h=3．6 mm，相对介电常数4．6，损耗角正切0．02。这样可以利用公式(8)、(7)计算出ZL；再利用微带线理论算出传输线和馈线的大致尺寸，然后根据计算的几何尺寸建模，得到所需的偶极子天线，最后使用ADS软件仿真并优化，才能得到最终天线尺寸：Lb=30 mm、宽Wb=6 mm；弯折处Lz=31mm，Wz=8 mm；微带巴伦底线长Hp=36 mm、宽Wp=6 mm；微带巴伦馈线宽Wf=8 mm；地平面宽Hd=20 mm、长Wd=50 mm；缝隙宽度LG=5 mm；通孔半径r=2 mm。
    采用ADS仿真软件对天线的仿真结果如图4和图5。

    如图4所示，印刷偶极子天线在谐振频率0．905 GHz处的回波损耗S11=-28．011 dB，满足通信系统中反射系数小于-14 dB的要求。S11／20=-1．400 55，则谐振频率处驻波比为：(1+10-1.40055)／(1-10-1.40055)=1．08，满足天线系统中驻波比小于1．5的要求。回波损耗为-10 dB对应着驻波比VSWR2．0，因此天线带宽范围近似为：0．741～1．122 GHz，其相对带宽约为40％。
    利用ADS软件的正交面描述天线功能，如图5从XOZ面上看天线的增益为4．236 dB。

3 结束语
    该款主动式应答器以射频技术为核心，选择工作中心频率为905 MHz，其电路元件采用小型贴片封装，结构紧凑、体积较小，方便矿井人员随身携带。从仿真结果来看，核心部件偶极子天线的带宽与增益参数较为理想。