礦井生產管理一直是人們十分關注的問題，而新興技術RFID(射頻識別)的引入，在礦井井下人員的生產調度和安全跟蹤管理上發揮了突出的作用。RFID系統組成為：應答器、讀卡器和上位機。井下基站里的讀卡器不斷地向其周圍發送無線信號，礦工隨身攜帶的應答器進入信號覆蓋區后被激活，將保存在其內的員工數據信息發送給讀卡器，讀卡器接收到該數據后，將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數據一起打包送至地面計算機。文中重點闡述了應答器的設計：包括控制器、RFID芯片、偶極子天線。

　　1 控制器與RFID芯片

　　從圖1看出應答器的硬件結構較為簡單，控制器與RFID芯片均采用小型貼片封裝，天線設計成印刷偶極子結構，較好地實現了天線尺寸的小型化。

　　控制器C8051F41O是SILICon Laboratories公司出品的一種內置增強型SPI接口、完全集成的低功耗混合信號片上MCU，高速、流水線結構的8051兼容微控制器核，2 304字節片內RAM，多達24個I/O端口。

　　IA4420射頻芯片是一款單芯片、低功耗、多頻段的FSK收發器，它支持SPI通信協議，其內部集成了所有必需的射頻功能，外圍只需1個MCU、1個晶振和旁路濾波電容就可組成一個高可靠性的收發系統，具有設計簡單、成本低、生產免調試的特點。在無需外加功放的情況下，通信距離可達到200 m以上。可工作在315/433/868/915 MHz 4個頻段。

　　該命令寄存器高12-15位取固定值1010;中間12位參數F(f11-f0)用于設置工作頻率，其取值范圍為96～3 903。合成器的輸出中心頻率分別表示為：

　　315頻段：fo=310+F*0.002 5(MHz) (1)

　　433頻段：fo=430+F*0.002 5(MHz) (2)

　　868頻段：fo=860+F*0.007 5(MHz) (3)

　　915頻段：fo=900+F*0.007 5(MHz) (4)

　　控制器與RFID芯片通信使用的5個信號為SDI、SDO、SCK、nIRQ和nSEL。SDI、SDO用于串行數據傳輸;SCK用于主器件和從器件之間串行數據傳輸的同步時鐘;nIRQ在傳輸完一幀數據后發出中斷請求;nSEL用于選擇工作方式。

　　2 天線設計

　　天線是應答器設計最為關鍵的部分。圖2的天線結構圖采用彎曲振子臂結構的小型化印刷偶極子天線。饋電方式為微帶通孔巴倫，基板底層為天線臂、巴倫線和接地板，頂層為饋線，通過通孔相連兩層，在給定介質基板FR4(玻璃布環氧樹脂)上刻蝕銅貼片制成。擬定中心頻率為905 MHz，輸入阻抗接近純電阻50 Ω。天線等效電路如圖3所示。

　　定義Zin為天線的輸入阻抗，圖3中所示的虛線框內為天線振子臂和接地板的等效輸入阻抗Zc。Za為饋線的特性阻抗，可由1/4阻抗變換器轉換得到。Zb為短路線的特性阻抗，Zab為偶極子天線臂之間的縫隙等效特性阻抗。用θa、θb和θab代表各部分的電長度，則根據傳輸線理論分析如下：

　　f是工作頻率，μ是磁導率，γ是電導率，λ是工作波長。

　　在最初的設計中，天線振臂和微帶饋線的長度均取λ/4左右，振臂寬度取λ0。介質材料選用玻璃。

　　布環氧樹脂(FR-4)，介質長L=81 mm、寬W=63 mm、厚h=3.6 mm，相對介電常數4.6，損耗角正切0.02。這樣可以利用公式(8)、(7)計算出ZL;再利用微帶線理論算出傳輸線和饋線的大致尺寸，然后根據計算的幾何尺寸建模，得到所需的偶極子天線，最后使用ADS軟件仿真并優化，才能得到最終天線尺寸：Lb=30 mm、寬Wb=6 mm;彎折處Lz=31mm，Wz=8 mm;微帶巴倫底線長Hp=36 mm、寬Wp=6 mm;微帶巴倫饋線寬Wf=8 mm;地平面寬Hd=20 mm、長Wd=50 mm;縫隙寬度LG=5 mm;通孔半徑r=2 mm。

　　采用ADS仿真軟件對天線的仿真結果如圖4和圖5。

　　如圖4所示，印刷偶極子天線在諧振頻率0.905 GHz處的回波損耗S11=-28.011 dB，滿足通信系統中反射系數小于-14 dB的要求。S11/20=-1.400 55，則諧振頻率處駐波比為：(1+10-1.40055)/(1-10-1.40055)=1.08，滿足天線系統中駐波比小于1.5的要求。回波損耗為-10 dB對應著駐波比VSWR2.0，因此天線帶寬范圍近似為：0.741～1.122 GHz，其相對帶寬約為40%。

　　利用ADS軟件的正交面描述天線功能，如圖5從XOZ面上看天線的增益為4.236 dB。

　　3 結束語

　　該款主動式應答器以射頻技術為核心，選擇工作中心頻率為905 MHz，其電路元件采用小型貼片封裝，結構緊湊、體積較小，方便礦井人員隨身攜帶。從仿真結果來看，核心部件偶極子天線的帶寬與增益參數較為理想。