1 引言
RFID已成为近年来备受关注的一种新兴技术。该技术主要通过射频信号传递能量及数据,具有非接触识别、数据可修改、信息存储量大等特点,并在门禁系统、供应链管理、交通运输、军事物流等场合,得到了广泛的应用与研究。UHF RFID系统较其他频段相比具有更远的识读距离,其工作流程为:读写器天线向外发射超高频载波信号,使工作区域内的电子标签产生感应电流获取能量,被激活的标签将自身的信息代码利用发射天线送出,读写器所接收的信号经解调解码后,送入控制中心。读写器接收系统负责对接收到的数据信号进行处理,主要包括低通滤波器、检波电路、低噪声放大器和解码电路等[1-2]。其中,低通滤波器用于抑制代码中存在的噪声、载波等干扰信号,以便获得准确的数据信息。低通滤波电路是读写器设计过程中的一项重要内容,其性能的好坏会对超高频RFID系统获取数据的准确率及有效通信距离产生影响。为避免输入信号失真,且通带内波纹最小,本文采用Butterworth低通滤波器作为UHF RFID读写器的滤波电路,其设计简单,性能优越,群延迟性好,在通带内衰减特性平坦,能够满足实际输入信号对允许波形失真范围的要求[3-4]。
2 Butterworth低通滤波器的设计原理
函数型滤波器中使用最多的就是Butterworth滤波器,该类型滤波器性能较好,不存在明显的缺点,对元件Q值的要求较低,易于设计。Butterworth型低通滤波器利用归一化低通滤波器的设计数据,根据所需截止频率及特性阻抗,可设计出符合要求的滤波器电路。
2.1 Butterworth低通滤波器原型的元件值确定
特征阻抗为1Ω,截止频率为
(约0.1592)Hz的数据就是归一化低通滤波器的设计数据,各元件归一化参数值为
其中,n是低通滤波器元件阶数:
公式(2)中,
为插入损耗衰减值,
分别是通带、阻带的截止频率,k取1。
2.2 Butterworth滤波电路结构的选择
Butterworth滤波器电路结构可分为两种类型,即电容—电感型、电感—电容型[6],以最简单的三阶(N=3)为例,给出实际元件值的计算方法及两种电路结构图(如图1)。
电容—电感型元件值:
电感—电容型元件值:
其中,
为负载阻抗,
为归一化巴特沃斯低通滤波器元件参数值。
3 Butterworth低通滤波电路实现、仿真与分析
UHF RFID读写器的组成如图2所示,针对射频读写器的接收部分,本文采用Butterworth型设计方法,进行低通滤波器设计。其中,低通滤波器的截止频率为8MHz,阻抗为50Ω,当频率大于15MHz时,衰减量大于25dB,以满足系统的通信要求。
3.1 确定元件的参数值及设计滤波电路
通过公式2计算可知,低通滤波器的元件级数为5(即n=5)。运用公式1能够获得滤波器归一化元件值(见表1)。同时,也可以得到实际滤波器元件值(见表2)。
根据元件值构建滤波电路,选择电容—电感型结构,电路如图3所示。
3.2 仿真结果与分析
利用ADS2009仿真软件对Butterworth低通滤波电路进行仿真,其结果如图4所示。同时,设计一个满足上述要求的切比雪夫型低通滤波器,仿真后结果如图5所示。
由图4、图5仿真结果可以看出,Butterworth型低通滤波器在截止频率8MHz处的通带衰减量很小,当频率达到15MHz时,衰减值大于25dB(约27dB),满足设计要求。虽然采用切比雪夫型低通滤波器也能实现该性能,但是,由于Butterworth低通滤波器在通带内响应十分平坦,不存在波纹起伏的情况,从而确保了信号在通带内波形不失真,便于获取较为准确的数据信息。
4 结束语
本文设计的Butterworth型低通滤波器截止频率是8MHz,在500kHz~10MHz范围内,满足了超高频RFID读写器的通信要求。通带内衰减量小于3dB,频率为15MHz时,衰减量达到27.301dB,能够将干扰信号隔离掉,从而获取标签内代码信号。此外,采用巴特沃斯低通滤波器不仅制作简单,易于实现,在满足设计要求的同时,不会在信号过滤过程中因通带波纹的波动而影响数据的准确性,该滤波器不仅适用于UHF RFID读写器,可以应用在卫星通信、无线接收、手机通信等系统中。
参考文献:
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[5] 郭湘荣,武岳山.微波低通滤波器电路设计[J].计算机仿真,2010,27(8):338-341.
[6] 周学军,董军堂等.微波低通滤波器的分析与设计[J].通信技术,2010,43(219):183-184.
作者简介:赵文颖(1987-),女,研究生,研究方向:智能检测与控制技术。