摘  要： 简要介绍射频IC系统的结构，并针对现有射频IC系统接收电路的不足，通过调整混频器增益、混频管之间距离和工作频率等方法，实现对接收电路的优化。通过仿真，证明了优化的有效性。
关键词： 射频IC系统；接收电路；优化

　　射频IC卡成功地将射频识别技术和大规模集成电路技术结合起来，通过无线方式传输能量和数据，从根本解决了卡内能量来源和非接触交易两大难题。除了具有IC卡固有的存储容量大、安全性高、应用范围广、对网络要求低等特点外，还有独特的优点，例如：应用的可靠性高、保密性高、操作速度快、可识别高速运动的IC卡、可同时处理多任务、可实现一卡多用等[1]。接收电路是射频IC卡系统中重要组成部分，射频IC卡通过接收电路与IC卡和外部通信。本文设计优化了一个性能优良的射频IC系统接收电路。
1 射频IC系统硬件组成
　　射频IC系统由读写器和射频IC卡两部分组成[2]，如图1所示。读写器是寻呼器，通过射频信号同射频IC卡通信，并给IC卡提供工作所需要的能量。系统通过读写器给射频IC卡发送指令，并通过读写器分析射频IC卡返回的有关信息；射频IC卡是应答器，通过天线从读写器天线的RF电磁场中得到能量、指令和数据，根据读写器的指令进行处理并报告处理结果。

　　读写器端由MCU、RF模块、EEPROM和电源电路、时钟产生电路、时间电路、LED、GAL、RS232接口以及天线等部分组成。其中，MCU用于控制和协调读写器各功能模块的工作，RF模块和天线实现了与射频IC卡之间的通信；EEPROM是MCU的扩展存储器，用于存放指令和数据；电源电路、时钟产生电路用来产生系统正常工作所需的电压和时钟信号；时间电路向系统提供时间信息；LED为可视化接口；RS232接口是系统和终端之间的通信接口，通常也可以是RS485、RS422接口形式；GAL用于匹配系统的时序，并为将来可能的FO扩展提供接口。
　　在射频IC卡端，由天线和内部电路两部分组成。天线是读写器和非接触式IC卡之间信号和能量传递的中介，IC卡内部电路则根据读写器的指令，做出相应的操作和响应。
2 射频IC系统接收电路的设计
　　根据ISO/IEC 18000-6 Type B协议规范，按照射频电路的指标要求，确定系统方案框架如图2所示。其中，接收电路工作过程如下：天线接收到的返回信号被耦合到接收电路中，经过混频和放大之后送至解调器，解调器应用发射频率进行零中频解调，并将TTL电平的解调信号传输到数字电路。

　　本文只对接收电路的设计进行详细叙述。
　　接收电路的功能表明，这部分电路的性能决定着射频电路的读卡能力，是整个射频IC系统接口电路的关键，也是优化的重点。采用零中频解调方案实现的接收电路原理框图如图3所示。

　　其中：U_R为来自标签的回波信号；U_L为来自发射电路频率源的本振信号；D_A为差分放大器；Comp1和Comp2为2个电压比较器；A、B、C和D分别是4个混频二极管与微带线的连接点。
　　在接收电路中，最为关键的是解调，这里以电压比较器Comp1为例介绍解调原理。图3中，A点与B点之间的间距为工作波长的四分之一，即λ_g/4。设在A点的本振信号和回波信号分别为：V_LA=Acos(ωt+α)和V_RA=B(t)cos(ωt+α)。其中，A为本振信号的幅度；B(t)为回波信号的调制信号，也即要提取出来的信息，且有|B(t)|<<|A|。
　　用于混频的非线性器件为肖特基二极管。根据肖特基二极管的混频特性，这2个信号在A点进行混频后，输出信号包括：直流成分、零中频成分、基波成分和高次谐波成分。这些信号通过一个带通滤波器，滤除直流、基波和高次谐波后，仅剩余零中频信号V_OA，即通过一次混频和一次滤波就直接得到了基带信号，V_OA=xB(t)cos(α-β)，其中x是与具体器件参数以及本振电压有关的一个常数。

　　对于这种情况，通常采用的办法是：再增加一组解调电路，使2组解调电路的模糊点不重合。这种方法已有很多文献阐述，下面重点研究对此电路的优化设计。
3 射频IC系统接收电路的优化设计
3.1 混频器的变频增益优化
　　在系统接收电路中，混频器的作用很大，因此对其进行优化能明显改进系统性能。实际电路中，用于混频的肖特基二极管与微带线之间采用一个电容实现信号的耦合。对于肖特基二极管的选取原则是：截止频率至少十倍于本振频率f₀，串联电阻Rs越小越好。该条件对应的零偏压结电容C_j0应满足：。本文选取肖特基二极管对应的参数为：C_j0=0.7 pF，R_s=6 Ω。图4和图5是在无耦合电容以及耦合电容为2 pF两种情况下，根据电路实际使用时本振功率Plo的变化范围得到的变频增益CG的仿真结果。

　　由图4和图5可知，混频器的变频增益变化幅度小于0.5 dB，即本振功率的变化基本上不会影响混频器的变频增益。另外，耦合电容的加入会影响混频器的变频增益。图6是在本振功率Plo=30 dBm情况下，对耦合电容进行扫描，得到的变频增益与耦合电容之间的关系曲线。

　　通过以上分析，可知使变频增益最大的耦合电容值为10 pF。
3.2 混频管之间相移距离优化
　　由以上分析可知，相移距离主要能够影响混频后2个调制信号的共模和差模成分的大小，而这又会影响差分放大器的效率，从而对整个电路产生影响。因此，要想使滤波器输出的调制信号得到效率最高的放大，就要求差模信号幅度最大，即|f_A-B|最大，问题可转化为求解下式的最大值：f(φ)=x²-2xycos2φ+y²。其中，对于确定的电路，x和y是正负号相同的常数，函数仅由相移距离φ决定，其关系曲线如图7所示。

3.3 工作频率选取的优化
　　从读写器的电磁环境看，GSM手机的工作频段（890 MHz~960 MHz）与射频IC的工作频段是有重叠的，室内工作也会产生多径效应，这些都会引起同频干扰。为减小干扰，读写器的工作频率可以使用跳频方式。因为IC卡没有发射机，是通过反射读写器的信号实现通信的，因此，使用跳频方式就不用考虑跳频图案的问题，只需要在工作频带内实现读写器载波频率的跳变即可。
　　根据采取的实际芯片，通过锁相环实现跳频的频率间隔约为30 kHz，建立时间小于12 ms。系统频段内的频率与中心频率在真空中波长上最大差距为5 mm左右，对应的工作波长的差别只有2~3 mm，对应的?渍的差别只有0.1(弧度)左右。由图7可知，频带内的放大幅度就在最大值附近一个很小的范围内。所以，跳频方式是可行的。跳频的频率间隔、时间间隔、跳变规律等设定，都由系统控制软件实现。此外，考虑到可能存在的多读写器互扰问题，可以采用分区段随机跳频的控制方式。根据在统一区域内工作的读写器的数量动态地将整个频带进行划分，工作时各自的载波频率在自己的小频段内随机跳变。这样既能减小GSM信号的干扰，又能避免读写器之间相互干扰。原设计采用的是由用户指定工作频率的方式，相对于跳频方式，抗干扰能力较差。由于同频信号的干扰，经常出现短时间内不能有效工作的现象。

　　此外，对整个接收电路的优化还可以在带通滤波器和模糊点消除上切入，但考虑到此类技术已经比较成熟，因此不在此阐述。
　　本文针对当前射频IC系统的应用越来越广、需求越来越多的现状，对已有系统的IC接口电路进行优化，从混频器增益、混频管之间距离和工作频率切入，具有一定的新意。最后还通过仿真软件证明了优化的有效性。下一步的工作是带通滤波器与模糊点消除的优化结合，从而在整个系统上完成优化并实现。
参考文献
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[3] 陈林林，孙仁云．基于89C52的IC卡读／写器的设计与应用[J].四川工业学院学报，2004(增刊)：ll6-ll9.
[4] 张培仁．基于C语言编程MCS一5l单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.