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上海永乐高
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射頻技術原理

   射頻技術專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波。電磁波可由其頻率表述爲:KHz(千赫),MHz(永乐高)及GHz(千永乐高)。其頻率範圍爲VLF(極低頻)也即10-30KHzEHF(極高頻)也即30-300GHz。是一項易于操控,簡單實用且特別適适用于自動化控制的靈活性應用技術,其所具備的獨特優越性是其它識別技術無法企及的。它既可支持只讀事情模式也可支持讀寫事情模式,且無需接觸或瞄准;可自由事情在各種惡劣環境下;可進行高度的數據集成。另外,由于該技術很難被仿冒、侵入,使RFID具備了極高的宁静防護能力。被廣泛應用于多種領域,如:電視、廣播、移動電話、雷達、自動識別系統等。應用包罗:

 

  ETC(電子收費)

 

  ●鐵路機車車輛識別與跟蹤

 

  ●集裝箱識別

 

  ●貴重物品的識別、認證及跟蹤

 

  ●商業零售、醫療保健、後勤服務等的目標物治理

 

  ●收支門禁治理

 

  ●動物識別、跟蹤

 

  ●車輛自動鎖死(防盜)

 

  電路的組成和特點

 

  下面,針對低噪聲放大器(LNA)討論一般射頻電路的組成和特點。

 

  這個放大器的電路板圖,注意到輸入信號是通過一個經過匹配濾波網絡輸入放大模塊。放大模塊一般接纳晶體管的共射極結構,其輸入阻抗必須與位于低噪聲放大器前面的濾波器的輸出阻抗相匹配,從而保證最佳傳輸功率和最小反射系數,對于射頻電路設計來說,這種匹配是必須的。此外,低噪聲放大器的輸出阻抗必須與其後端的混頻器輸入阻抗相匹配,同樣能保證放大器輸出的信號能完全、無反射的輸入到混頻器中去。這些匹配網絡是由微帶線組成,在有些時候也可能由獨立的無源器件組成,但是它們在高頻情況下的電特性與在低頻的情況下完全差异。

 

  電路的功率和增益

 

  增益、噪聲和非線性是描述射頻電路最常用的指標。在射頻和微波系統中,由于反射的普遍存在和理想的短路、開路難以獲得,低頻電路中常用的電壓和電流參數的測量變得十分困難,因此,功率的測量获得了廣泛的應用。並且,傳統的射頻和微波電路使用分立元件和傳輸線構成,電路的輸入、輸出通常需要匹配到一個系統阻抗(50?或75?)。由于上面兩個原因,電路的性能指標,如增益、噪聲、非線性等,都可以通過功率体现出來

 

  無線發射器和接收器在看法上,可分爲基頻與射頻兩個部份。基頻包罗發射器的輸入信號之頻率範圍,也包罗接收器的輸出信號之頻率範圍。基頻的頻寬決定了數據在系統中可流動的基本速率。基頻是用來改善數據流的可靠度,並在特定的數據傳輸率之下,減少發射器施加在傳輸媒介(transmissionmedium)的負荷。因此,PCB設計基頻電路時,需要大量的信號處理工程知識。發射器的射頻電路能將已處理過的基頻信號轉換、升頻至指定的頻道中,並將此信號注入至傳輸媒體中。相反的,接收器的射頻電路能自傳輸媒體中取得信號,並轉換、降頻成基頻。

 

  發射器有兩個主要的PCB設計目標:第一是它們必須盡可能在消耗最少功率的情況下,發射特定的功率。第二是它們不能幹擾相鄰頻道內的收發機之正常運作。就接收器而言,有三個主要的PCB設計目標:首先,它們必須准確地還原小信號;第二,它們必須能去除期望頻道以外的幹擾信號;最後一點與發射器一樣,它們消耗的功率必須很小。

 

  射頻技術—仿真之大的幹擾信號

 

  接收器必須對小的信號很靈敏,纵然有大的幹擾信號(阻擋物)存在時。這種情況出現在嘗試接收一個微弱或遠距的發射信號,而其四周有強大的發射器在相鄰頻道中廣播。幹擾信號可能比期待信號大60~70dB,且可以在接收器的輸入階段以大量覆蓋的方式,或使接收器在輸入階段産生過多的噪聲量,來阻斷正常信號的接收。如果接收器在輸入階段,被幹擾源驅使進入非線性的區域,上述的那兩個問題就會發生。爲制止這些問題,接收器的前端必須是很是線性的。

 

  射頻技術所使用的电波频率为50KHz-5.8GHz,一個最基本的RFID系統一般包罗以下幾個部门:

 

  ●一個載有目標物相關信息的RFID單元(應答機或卡、標簽等)

 

  ●在讀寫器及RFID單元間傳輸RF信號的天線

 

  ●一個産生RF信號的RF收發器(RFtransceiver

 

  ●一個接收從RFID單元上返回的RF信號並將解碼的數據傳輸到主機系統以供處理的讀寫器。

 

  ●天線、讀寫器、收發器及主機可局部或全部集成爲一個整體,或集成爲少數的部件。差异制造商有各自差异的集成要领。

 

  因此,“線性”也是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。由于接收器是窄頻電路,所以非線性是以測量“交調失真(intermodulaTIondistorTIon)”來統計的。這牽涉到利用兩個頻率相近,並位于中心頻帶內(inband)的正弦波或余弦波來驅動輸入信號,然後再測量其交互調變的乘積。大體而言,SPICE是一種耗時耗成本的仿真軟件,因爲它必須執行許多次的循環運算以後,才气获得所需要的頻率分辨率,以了解失真的情形。

 

  接收器必須很靈敏地偵測到小的輸入信號。一般而言,接收器的輸入功率可以小到1μV。接收器的靈敏度被它的輸入電路所産生的噪聲所限制。因此,噪聲是PCB設計接收器時的一個重要考慮因素。而且,具備以仿真工具來預測噪聲的能力是不行或缺的。附圖一是一個典型的超外差(superheterodyne)接收器。接收到的信號先經過濾波,再以低噪聲放大器(LNA)將輸入信號放大。然後利用第一個当地振蕩器(LO)與此信號混淆,以使此信號轉換成中頻(IF)。前端(front-end)電路的噪聲效能主要取決于LNA、混淆器(mixer)和LO。雖然使用傳統的SPICE噪聲分析,可以尋找到LNA的噪聲,但對于混淆器和LO而言,它卻是無用的,因爲在這些區塊中的噪聲,會被很大的LO信號嚴重地影響。

 

  小的輸入信號要求接收器必須具有極大的放大功效,通常需要120dB這麽高的增益。在這麽高的增益下,任何自輸出端耦合(couple)回到輸入端的信號都可能産生問題。使用超外差接收器架構的重要原因是,它可以將增益漫衍在數個頻率裏,以減少耦合的機率。這也使得第一個LO的频率与输入信號的频率差异,可以防止大的滋扰信号“污染”到小的输入信号。

 

  因爲差异的理由,在一些無線通訊系統中,直接轉換(directconversion)或內差(homodyne)架構可以取代超外差架構。在此架構中,射頻輸入信號是在單一步驟下直接轉換成基頻,因此,大部份的增益都在基頻中,而且LO与输入信號的频率相同。在这种情况下,必须了解少量耦合的影响力,而且必须建设起“杂散信号路径(straysignalpath)”的詳細模型,譬如:穿過基板(substrate)的耦合、封裝腳位與焊線(bondwire)之間的耦合、和穿過電源線的耦合。