徐计荣;钱松荣
【摘 要】在高频射频识别技术的实际应用中，当多张标签紧密重叠在一起时，重叠标签的谐振频率会产生偏移，造成标签无法获取足够能量，导致标签无法读写。针对该问题，从理论角度建立并分析重叠标签的电磁场耦合模型，从本质上分析无法读写的原因，提出一种新的读写器设计方案，采用载波变频的方式匹配重叠标签偏移的谐振频率，并通过实验验证其可行性。实验结果表明，在相同功率及读写距离的情况下，与标准读写器相比，该设计方案能明显提高重叠标签的读写成功率。%In practice of High Frequency(HF) Radio Frequency Identification(RFID) implementation, it is very hard to read multiple tags which are closely stacked because of insufficient energy scavenging caused by resonance frequency shifting. In order to solve this stacked tags problem, theoretical analysis of the stacked-multi-tags model is conducted and a novel variable frequency carrier method is proposed to match the shifted stacked tags’ resonance frequency. Experimental results show significant performance improvement compared with standard HF RFID reader in the condition of same radio frequency power and reading distance. 【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】5页(P317-321)
【关键词】高频射频识别;重叠标签;谐振频率偏移;载波变频;读写器设计
【作 者】徐计荣;钱松荣
【作者单位】复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433;复旦大学信息科学与工程学院，上海 200433
【正文语种】中 文
【中图分类】TP331
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术在各个领域被广泛应用。在一些应用中，会遇到多张标签紧密贴合重叠的情况。例如，将出厂的标签堆叠后进行批量初始化读写操作；在文档管理以及图书管理的应用中，贴于文档及图书表面的标签可能紧密重叠。
肩垫
在实际应用中发现，当多张标签紧密重叠时，由于标签耦合导致谐振频率偏移以及耦合能量损失，导致无法正常读写。现有的解决方法分别从标签和读写器入手，通过标签设计减小频率偏移的影响，以及通过增大读写器的发射功率使标签获取足够的能量。现有方法的成本较高，功率的利用率较低。
本文分析重叠标签无法读写的问题，提出一种基于载波变频的读写器设计方案。采用载波变频的方式匹配重叠标签偏移的谐振频率，并通过实验验证其可行性。
2.1 标签工作原理
高频 RFID标签与读写器的通信是通过双方天线线圈的电磁场耦合实现的，其原理类似变压器[1]。
标签进入读卡器的电磁场，线圈进入谐振状态，从而耦合获得能量使标签激活并工作。同时从天线的载波信号中提取出时钟信号。 高频RFID标签采用基于副载波的负载调制方式。标签天线与读写器天线耦合，可以等效为读写器天线的负载。标签天线上负载电阻的开关改变读写器天线的负载，从而改变了读写
器天线上的电压，实现数据的传输。
2.2 重叠标签模型
在图1所示的标签和读写器模型中，L代表天线线圈的电感；RL代表天线的电阻；Z代表等效的阻抗匹配网络；C代表芯片电容和线圈电容的等效电容。
假设一个读写器场内有N张标签，读写器L0与标签Li(i=1,2,…,N)之间的互感为M0i，每2张标签(Li,Lj),i,j=1,2,…,N,i ≠j之间的互感为 Mij(i ≠j)。对于每一对线圈之间的互感：
其中，kij是两线圈之间的耦合系数，kij=kji,i≠ j 。
对于任意一张重叠标签，其阻抗匹配网络两端获得的电压可以表示为：
将所有标签的电压表示成如下矩阵形式：
其中：
2.3 谐振频率偏移
在标签谐振电路中电容值C一定的情况下，矩阵M的特征值决定了重叠标签整体的n个谐振频率。
其中，λi是矩阵M的第i个特征值；M对称且正定，有：
当标签之间的相互耦合完全消失，kij=0，由式(2)可知互感 Mij=0，M为对角阵，λi=Li，重叠标签谐振频率不受影响，有：
当标签之间 kij=1时，将式(2)代入M，可知，M只有一个非零特征值。且由式(1)得：
此时的谐振频率为：
在实际情况中，0＜kij＜ 1，重叠标签有多个谐振分量，其中最低的频率分量最显著，并决定了标签整体表现出的谐振频率。M最大的特征值λmax对应决定重叠标签体现的谐振频率：
由于标签规格不同，其厚度、天线尺寸及设计也不同。不同的标签物理特性导致其耦合系数kij不同，谐振频率偏移也不同，式(11)给出了重叠标签谐振频率偏移的下限。对应n张相同标签的谐振频率理论下限为：
水力分级机
图2给出重叠标签谐振频率偏移的理论下限和测量值。
对高频 RFID系统的优化主要集中在标签端和读写端2个方面。
在标签端的优化设计主要从降低芯片的能耗着手，更小制程的标签芯片设计[2]可以在提高运算速度的同时降低功耗。通过标签芯片的电源模块[3]以及整流电路[4]的优化提高能量利用效率，改善标签在低场强状态下的性能。
在读写器端的优化主要从增加读写器射频功率的角度入手。普遍的方法是引入大功率模块[5]，来弥补标签失谐造成的功率获取不足。在高频RFID应用中常在驱动和天线之间引入E类功率放大器[6]，其功率利用率高，可使单张标签的读写距离达到1 m以上。另有研究从天线的优化设计入手[7]，使用多个小天线拼合的方式代替大尺寸天线，有效减少了大尺寸电线读写盲区的问题。
虽然一些优化的方法提高了功率的利用效率，但是标签仍然处在失谐状态，对读写器功率的利用效率仍然在很低的水平。简单地增大读写器功率的方法，在增加功耗的同时还会带来设备便携性的问题，大功耗方案难以在手持设备上应用。
本文提出一种读写器端基于载波变频的设计方案。图3给出了设计的系统框图。通过改变时钟信号的频率，使射频模块驱动天线产生载波信号的频率改变，从而与多张重叠标签的谐振频率一致，使标签耦合到足够的能量。
4.1 变频时钟源设计
在本文设计方案中，使用锁相环加压控振荡器的组合取代晶体振荡器，实现可控频率的时钟信号的产生。
单片机使用 SPI接口，通过设定参考频率分频器的方式设定锁相环的目标频率。压控振荡器的频率信号输出到锁相环，锁相环将该输入信号和参考频率分别分频计数后的结果进行比较，将锁相环的误差脉冲信号通过低通滤波器反馈给压控振荡器，以负反馈的方式实现频率的锁定[8]。
该变频时钟源输出的频率信号经过放大后，主要用于驱动射频模块和逻辑控制模块。
对于射频模块，将此变频时钟信号分频或倍频后，驱动天线线圈，以此产生可变频率的载波信号。
t型槽螺母对于逻辑控制模块，该变频时钟信号将用来作为与标签通信编解码的时间基准。对于编码过程，由于该时钟信号频率与载波信号频率呈正比，因此用该时钟信号作为编码位时长的基准，可以精确地控制编码位的时长与载波信号的周期呈正比，从而满足高频RFID协议规定的读写器到标签方向通信的与载波周期呈正比的时序。同理，对于解码过程而言，当编码位的长度与载波周期呈正比时，由于解码过程中的时间基准同样与载波呈正比，可以方便地进行信号的解码。
4.2 数据编码时序同步
目前主要的高频RFID协议的空气接口部分，读写器与标签双向的数据通信，其数据编码的时序都是相对于载波频率的，即数据位的时长与载波信号的周期成正比。图4～图6分别表示了ISO15693、ISO14443A和ISO14443B这3种典型高频RFID协议的读写器到标签方向的数据编码时序。每种协议中编码的位的时间长度都与载波周期成正比。图7～图9分别是上述3种协议对应的标签到读写器方向的数据编码示意图。可以看到，协议规定的副载波频率与载波频率成正比。并且，其数据编码的位的时长同样与载波周期成正比。
标签芯片工作的时钟信号是从载波信号中提取的，该时钟信号驱动逻辑控制模块和编解码
模块，使得编解码的时间基准和载波信号同步，编解码的位的时长与载波周期成正比。
在读写器端，单片机和射频模块都使用和载波频率同步的时钟信号，编解码的位长度同样与载波周期成正比。
综合这 3个方面，标签端和读写器端的数据编解码都与载波信号同步，可以验证，当载波信号频率变化时，本文系统仍然能够正常通信。
4.3 调谐模块设计
重叠标签的谐振频率大约会在13.56 MHz～5 MHz的范围内偏移。为在保证较大天线Q值的情况下仍能覆盖较大频率范围，如图10所示，引入由多路选通模块与电容组成的调谐腔。通过单片机，根据当前的时钟信号频率控制选通电容，使得天线线圈谐振在当前的载波信号频率上[9-10]。
为了使调谐电路能够均匀地覆盖重叠标签的频率偏移范围，调谐电路谐振腔电容值的选取如下：在谐振电路电感值L确定的情况下，确定在标准13.56 MHz谐振频率时的电容值：
大功率同轴固定衰减器
抗震床由于谐振频率在标签较少时下降较快，而当标签较多时下降较缓，选取 C1=0.5C0,C2=1C0,C3=2C0,C4=3C0,C5=5C0,C6=7C0,C7=11C0,C8=20C0。此时依次选通S1到S8时，调谐电路的谐振频率曲线如图11所示。
实验使用图 12所示的符合 ISO14443A协议的标准RFID读写器 PCB板配合外围电路，实现可变载波频率的读写器方案。外围电路使用万用电路板和分离元器件搭建。单片机通过SPI接口控制锁相环产生13 MHz～31 MHz的时钟信号，经过放大后输入到射频芯片，信号分频后使模拟前端的载波频率变化范围为6.5 MHz～15.5 MHz。射频芯片为单片机提供时钟信号，保证系统工作时序同步。实验仅关注变频方案对读写效果的改进，因此，电路中未引入射频功率放大模块以提高读写距离。天线线圈直径约80 mm，输出功率约150 mW。
实验分别使用标准读写器和载波变频方案的读写器进行对比测试，如图13～图15所示。两读写器除了时钟源模块和调谐模块之外，其余部分完全相同。实验使用符合ISO14443A标准，尺寸为85.6 mm×54 mm×0.80 mm的标准卡片标签，读写距离为10 mm。
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