應(yīng)用于礦井的RFID應(yīng)答器設(shè)計(jì)

摘要：采用RFID(射頻識(shí)別)芯片IA4420設(shè)計(jì)了一款主動(dòng)式應(yīng)答器，主要應(yīng)用于礦井安全生產(chǎn)管理。其工作中心頻率為905 MHz，數(shù)據(jù)通信的核心部分是印刷偶極子天線，從仿真結(jié)果來(lái)看：其相對(duì)帶寬約為40％，增益約為4．236 dB，輸入阻抗接近純電阻50 Ω，性能參數(shù)較好。
關(guān)鍵詞：RFID應(yīng)答器；IA4420；偶極子天線；礦井

    礦井生產(chǎn)管理一直是人們十分關(guān)注的問(wèn)題，而新興技術(shù)RFID(射頻識(shí)別)的引入，在礦井井下人員的生產(chǎn)調(diào)度和安全跟蹤管理上發(fā)揮了突出的作用。RFID系統(tǒng)組成為：應(yīng)答器、讀卡器和上位機(jī)。井下基站里的讀卡器不斷地向其周圍發(fā)送無(wú)線信號(hào)，礦工隨身攜帶的應(yīng)答器進(jìn)入信號(hào)覆蓋區(qū)后被激活，將保存在其內(nèi)的員工數(shù)據(jù)信息發(fā)送給讀卡器，讀卡器接收到該數(shù)據(jù)后，將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數(shù)據(jù)一起打包送至地面計(jì)算機(jī)。文中重點(diǎn)闡述了應(yīng)答器的設(shè)計(jì)：包括控制器、RFID芯片、偶極子天線。

1 控制器與RFID芯片
    從圖1看出應(yīng)答器的硬件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，控制器與RFID芯片均采用小型貼片封裝，天線設(shè)計(jì)成印刷偶極子結(jié)構(gòu)，較好地實(shí)現(xiàn)了天線尺寸的小型化。

    控制器C8051F41O是Silicon Laboratories公司出品的一種內(nèi)置增強(qiáng)型SPI接口、完全集成的低功耗混合信號(hào)片上MCU，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容微控制器核，2 304字節(jié)片內(nèi)RAM，多達(dá)24個(gè)I／O端口。
    IA4420射頻芯片是一款單芯片、低功耗、多頻段的FSK收發(fā)器，它支持SPI通信協(xié)議，其內(nèi)部集成了所有必需的射頻功能，外圍只需1個(gè)MCU、1個(gè)晶振和旁路濾波電容就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、生產(chǎn)免調(diào)試的特點(diǎn)。在無(wú)需外加功放的情況下，通信距離可達(dá)到200 m以上。可工作在315／433／868／915 MHz 4個(gè)頻段。

    該命令寄存器高12-15位取固定值1010；中間12位參數(shù)F(f11-f0)用于設(shè)置工作頻率，其取值范圍為96～3 903。合成器的輸出中心頻率分別表示為：
    315頻段：fo=310+F*0．002 5(MHz)       (1)
    433頻段：fo=430+F*0．002 5(MHz)       (2)
    868頻段：fo=860+F*0．007 5(MHz)       (3)
    915頻段：fo=900+F*0．007 5(MHz)       (4)
    控制器與RFID芯片通信使用的5個(gè)信號(hào)為SDI、SDO、SCK、nIRQ和nSEL。SDI、SDO用于串行數(shù)據(jù)傳輸；SCK用于主器件和從器件之間串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綍r(shí)鐘；nIRQ在傳輸完一幀數(shù)據(jù)后發(fā)出中斷請(qǐng)求；nSEL用于選擇工作方式。

2 天線設(shè)計(jì)
    天線是應(yīng)答器設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的部分。圖2的天線結(jié)構(gòu)圖采用彎曲振子臂結(jié)構(gòu)的小型化印刷偶極子天線。饋電方式為微帶通孔巴倫，基板底層為天線臂、巴倫線和接地板，頂層為饋線，通過(guò)通孔相連兩層，在給定介質(zhì)基板FR4(玻璃布環(huán)氧樹(shù)脂)上刻蝕銅貼片制成。擬定中心頻率為905 MHz，輸入阻抗接近純電阻50 Ω。天線等效電路如圖3所示。

    定義Zin為天線的輸入阻抗，圖3中所示的虛線框內(nèi)為天線振子臂和接地板的等效輸入阻抗Zc。Za為饋線的特性阻抗，可由1／4阻抗變換器轉(zhuǎn)換得到。Zb為短路線的特性阻抗，Zab為偶極子天線臂之間的縫隙等效特性阻抗。用θa、θb和θab代表各部分的電長(zhǎng)度，則根據(jù)傳輸線理論分析如下：
   
    在該電路結(jié)構(gòu)中，是用特性阻抗Zab的短路線來(lái)實(shí)現(xiàn)不平衡列平衡的轉(zhuǎn)換，傳輸線的外導(dǎo)體截面積相同，可以通過(guò)改變二者之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)Zab的值，使(5)式滿足：Zc=ZL。阻抗變換作用是靠特件阻抗為Za段來(lái)完成，且有；ZL是天線輻射阻抗，ZF是饋電端口阻抗。對(duì)于半波振子天線，可以近似把天線輸入阻抗看作是輻射阻抗，即有：

    f是工作頻率，μ是磁導(dǎo)率，γ是電導(dǎo)率，λ是工作波長(zhǎng)。
    在最初的設(shè)計(jì)中，天線振臂和微帶饋線的長(zhǎng)度均取λ／4左右，振臂寬度取λ0。介質(zhì)材料選用玻璃。
    布環(huán)氧樹(shù)脂(FR-4)，介質(zhì)長(zhǎng)L=81 mm、寬W=63 mm、厚h=3．6 mm，相對(duì)介電常數(shù)4．6，損耗角正切0．02。這樣可以利用公式(8)、(7)計(jì)算出ZL；再利用微帶線理論算出傳輸線和饋線的大致尺寸，然后根據(jù)計(jì)算的幾何尺寸建模，得到所需的偶極子天線，最后使用ADS軟件仿真并優(yōu)化，才能得到最終天線尺寸：Lb=30 mm、寬Wb=6 mm；彎折處Lz=31mm，Wz=8 mm；微帶巴倫底線長(zhǎng)Hp=36 mm、寬Wp=6 mm；微帶巴倫饋線寬Wf=8 mm；地平面寬Hd=20 mm、長(zhǎng)Wd=50 mm；縫隙寬度LG=5 mm；通孔半徑r=2 mm。
    采用ADS仿真軟件對(duì)天線的仿真結(jié)果如圖4和圖5。

    如圖4所示，印刷偶極子天線在諧振頻率0．905 GHz處的回波損耗S11=-28．011 dB，滿足通信系統(tǒng)中反射系數(shù)小于-14 dB的要求。S11／20=-1．400 55，則諧振頻率處駐波比為：(1+10-1.40055)／(1-10-1.40055)=1．08，滿足天線系統(tǒng)中駐波比小于1．5的要求。回波損耗為-10 dB對(duì)應(yīng)著駐波比VSWR2．0，因此天線帶寬范圍近似為：0．741～1．122 GHz，其相對(duì)帶寬約為40％。
    利用ADS軟件的正交面描述天線功能，如圖5從XOZ面上看天線的增益為4．236 dB。

3 結(jié)束語(yǔ)
    該款主動(dòng)式應(yīng)答器以射頻技術(shù)為核心，選擇工作中心頻率為905 MHz，其電路元件采用小型貼片封裝，結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小，方便礦井人員隨身攜帶。從仿真結(jié)果來(lái)看，核心部件偶極子天線的帶寬與增益參數(shù)較為理想。