基于CLRC663 HF RFID射频模拟前端设计

作     者：俞凯航 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄季甫;陆云龙

授予年度：2022年

学科分类：1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 13[艺术学] 08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 0804[工学-仪器科学与技术] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：射频识别 CLRC663 读写器天线 HF RFID 

摘      要：将物理世界以数字化的方式来呈现是智慧城市建设和万物互联的重要一环,为此用户之间必须存在着能够进行双向信息交换的设备。在此技术的发展和实现过程中,RFID技术起着至关重要推动作用。目前RFID技术正处在快速发展的过程中,在图书馆图书管理、货物的盘点、安防、金融以及医疗等场景中有广阔的应用。随着智慧生活和工业物联网的发展使得识别和定位传感需求的不断增大,因此具有大批量读写、大范围、高精度、速度快等特性的RFID系统成为RFID技术的发展方向,如何设计高性能、低成本且功能强大的RFID读写系统成为在当前RFID系统在应用实践中的一项重要研究课题。本论文从RFID读写系统的基本原理和不同应用场景对系统特征及性能的不同需求出发,研究了不同类型的RFID系统之间的应用场景差异和工作原理的差异,针对HF RFID系统进行了细致的研究并将其射频模拟前端的构成和工作原理作为本课题的主要研究对象。通过分析HF RFID系统中读写器性能和标签性能对系统性能的影响以及两者性能的受限因子,采用优化读写器的射频模块的性能的方式来实现RFID读写系统的性能提升。在现有读写器天线结构的基础上,提出一种分布式线圈天线来实现小尺寸读写器天线的性能优化。本课题采用NXP公司的CLRC663芯片作为设计方案的读写核心处理器,设计了以NXP CLRC663为核心的HF RFID读写器射频模块的硬件电路,采用功率放大器对芯片输出功率进行放大以提供更大的发射功率,采用副载波信号放大的方式来实现接收链路性能的优化。针对发射链路,设计一款功率为10 W的E类放大器作为读写器的发射放大模块。在对接收信号的处理中,为了提升接收机的灵敏度采用HMC589作为接收链路的低噪声放大器,所设计的低噪声放大器在0d Bm的输入条件下具有20.45 d B的增益,最大噪声系数小于2 d B。针对读写器天线,针对不同的应用场景设计了不同款式的读写器天线。在小尺寸、短距离识别的应用场景中,通过优化读写器天线之间线圈的距离以减少互感和耦合电容的影响实现读写器天线的性能优化,所设计天线尺寸为80 mm*80 mm在输出功率为27 d Bm的条件下可实现6 cm的有效读写范围。针对大功率和长距离读写的应用场景下,设计了一款大尺寸天线,针对ISO15693协议的读写系统所设计天线在10W的输入功率下即可实现31cm的有效读写。通过HFSS仿真,在满足IEC14443B协议标准下,该天线可在读写器10 W的输出条件下在30 cm处的磁场强度大于2.5 A/m,即可以实现对30 cm范围内的标签进行有效读写。通过上述的设计,完整实现了基于CLRC663和新型RFID读写器天线的RFID读写器硬件电路的设计,该读写器性能符合预期目标,且具有效率高、结构紧凑、成本低的特点。