郭桂林，李文鈞

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院CAD研究所，杭州310018)

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是從20世紀(jì)80年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［1］。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別目的。基于RFID標(biāo)簽對(duì)物體的唯一標(biāo)識(shí)特性，引發(fā)了人們對(duì)基于RFID技術(shù)的應(yīng)用研究熱潮［2］，特別是微電子技術(shù)中大規(guī)模集成電路的發(fā)展和高速電路的出現(xiàn)，RFID系統(tǒng)的各方面性能指數(shù)增加和成本進(jìn)一步降低，逐漸的被運(yùn)用在交通，現(xiàn)代物流，智能家居等各個(gè)領(lǐng)域［3］。

隨著RFID系統(tǒng)中信號(hào)的頻率的變高、邊沿變陡、電路板的尺寸變小、布線的密度變大，EMC和SI成為電子工程師不可避免的問題。串?dāng)_是指有害信號(hào)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它是信號(hào)完整性(SI)中的一個(gè)重要問題，在數(shù)字設(shè)計(jì)中普遍存在，有可能出現(xiàn)在芯片、PCB板、連接器、芯片封裝和連接器電纜等器件上［4］。如果串?dāng)_超過一定的限度就會(huì)引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。因此了解串?dāng)_問題產(chǎn)生的機(jī)理并掌握解決串?dāng)_的設(shè)計(jì)方法，采取相應(yīng)的措施使串?dāng)_減小到合理的范圍。將串?dāng)_原理深入地融入到產(chǎn)品開發(fā)尤其是高速PCB設(shè)計(jì)當(dāng)中，最終為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的解決方案，已經(jīng)成了產(chǎn)品成功的關(guān)鍵一環(huán)。

1 串?dāng)_的基本原理及分類

串?dāng)_是信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，由于電磁耦合而在相鄰的傳輸線上產(chǎn)生不期望的電壓或電流噪聲干擾，信號(hào)線的邊緣場(chǎng)效應(yīng)是導(dǎo)致串?dāng)_產(chǎn)生的根本原因［5］。信號(hào)在通過一導(dǎo)體時(shí)會(huì)在相鄰的導(dǎo)體上引起兩類不同的噪聲信號(hào):容性噪聲信號(hào)與感性噪聲信號(hào)，也就是說串?dāng)_有容性串?dāng)_和感性串?dāng)_兩種，一般情況下感性串?dāng)_要比容性串?dāng)_大得多。如圖1所示產(chǎn)生串?dāng)_的一方被稱為入侵者(Aggressor)，而另一個(gè)收到串?dāng)_的被稱為受害者(Victim)。

圖1 串?dāng)_中的Aggressor與Victim

圖2表示串?dāng)_的形成過程，當(dāng)兩根平行線平行放在一起，其中一根線中一端有信號(hào)源Vs及內(nèi)阻ZOG，另一端負(fù)載阻抗ZLG，回路通過地構(gòu)成閉環(huán);另一導(dǎo)線中僅有阻抗ZOR和ZLR。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(1)通過發(fā)射線時(shí)，由于發(fā)射線和接收線間的寄生電容，會(huì)在接收線上產(chǎn)生分別向兩端走向的干擾信號(hào)(3);同時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過發(fā)射線時(shí)會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與接收線相交，并在接收線中感應(yīng)出一個(gè)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相反走向的干擾電流(2)。干擾電流(2)和(3)就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)從發(fā)射線耦合到接收線上的串?dāng)_信號(hào)。

圖2 串?dāng)_的形成過程

1.1 容性串?dāng)_

容性串?dāng)_就是信號(hào)線間的容性耦合，當(dāng)信號(hào)線在一定長(zhǎng)度上靠得較近時(shí)發(fā)生。如圖3所示的兩根信號(hào)線，分別稱為噪聲源和噪聲接收線。由于線間的寄生電容，噪聲源的噪聲就會(huì)通過電流注入的形式耦合到噪聲接收線上。這個(gè)電流將通過阻抗為Z0的傳輸線向兩邊傳輸，直到它消耗在源內(nèi)阻ZS和負(fù)載ZL上;產(chǎn)生的電壓尖峰值是由Z0決定的，當(dāng)電流脈沖通過ZS和ZL時(shí)，產(chǎn)生的電壓與其阻抗成正比，如果阻抗不匹配，將產(chǎn)生反射。在沒有端接的情況下，在ZL產(chǎn)生的電壓尖峰將非常大，所以，在負(fù)載端端接可以大大減小下一個(gè)器件輸入端的電壓噪聲。

1.2 感性串?dāng)_

干擾線上的di/dt經(jīng)過互感在受擾線上產(chǎn)生一個(gè)電壓，從而激勵(lì)了感性耦合電流，即受擾線上感應(yīng)的噪聲電壓將受到一個(gè)阻抗，并激勵(lì)相應(yīng)的電流，而且此電流與干擾線上的電流方向是相反的［6］。所以當(dāng)此電流在受擾線上分為向前、向后傳播的兩部分時(shí)，前向傳播的電流是從返回路徑到信號(hào)路徑，而后向傳播的電流則是從信號(hào)路徑到返回路徑，如圖4所示。

圖4 感性串?dāng)_的傳播路徑

2 RFID系統(tǒng)串?dāng)_仿真及分析

圖5是RFID系統(tǒng)中Reader的PCB一部分，Bus信號(hào)的時(shí)鐘頻率276 MHz，Victim網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)的正中間的傳輸線，Aggressor網(wǎng)絡(luò)為相鄰的網(wǎng)絡(luò)，仿真模擬。

圖5 RFLD系統(tǒng)中Read的PCB

2.1 線間距的串?dāng)_仿真

線間距從0.1 mm～0.3 mm以0.05 mm為間隔，做線路長(zhǎng)度的Sweep分析的結(jié)果(圖6)?？梢钥闯龃?dāng)_大小跟布線間距成反相關(guān)的關(guān)系，線間距越大，串?dāng)_量越小。

圖6 不同線間距串?dāng)_仿真

2.2 網(wǎng)絡(luò)端接串?dāng)_仿真

如圖7上一幅圖是網(wǎng)絡(luò)未端接時(shí)的串?dāng)_量，從中可以看出串?dāng)_量峰值可以高達(dá)300 mV，對(duì)于在低壓工作電路，有可能出現(xiàn)誤動(dòng)作。而下圖端接電阻以后，串?dāng)_的峰值最大為100 mV，說明網(wǎng)絡(luò)端接能大大減小串?dāng)_量。

圖7 端接與未端接電阻對(duì)串?dāng)_的影響

2.3 奇模式和偶模式串?dāng)_仿真

圖8所示上圖是(EVEN)奇模式的仿真圖，下圖偶模式(ODD)。從中可以看出Receiver遠(yuǎn)邊大約有振幅2 V左右的串?dāng)_，而ODD方式大約也有振幅2 V左右串?dāng)_，但脈動(dòng)系數(shù)遠(yuǎn)小于EVEN方式。

圖8 EVEN/ODD模式下串?dāng)_仿真

3 降低RFID系統(tǒng)串?dāng)_的方法

影響RFID系統(tǒng)串?dāng)_的因素不僅僅是以上仿真的幾個(gè)方面，但卻是能在實(shí)際應(yīng)用電路中最主要考慮的因素，所以沒有一一列舉所有的影響因素的仿真結(jié)果，總結(jié)歸納降低串?dāng)_的方式如下:

(1)在布線規(guī)則允許的情況下，將兩條傳輸線之間的距離增到最大或增加網(wǎng)絡(luò)端接來減小串?dāng)_;

(2)在設(shè)計(jì)目標(biāo)阻抗時(shí)，應(yīng)該盡量使導(dǎo)體靠近地平面，使得傳輸線可以緊密地與地平面進(jìn)行耦合，這樣可以減小對(duì)鄰近參考線的耦合及干擾;

(3)信號(hào)采用差分(ODD)布線技術(shù)，如系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào);

(4)同層的走線正交布線，可以抑制傳輸線的耦合;

(5)最小信號(hào)間平行走線的長(zhǎng)度，盡量是一些比較短的平行線段，避免長(zhǎng)的平行線段;

(6)加大線間距，減小線平行長(zhǎng)度，必要時(shí)可以圖9所示的jog方式走線，減小容性串?dāng)_［7］;

(7)妥善布局，防止布線時(shí)出現(xiàn)擁擠;

(8)盡量用上升沿較慢的器件，但是在使用此方法時(shí)要非常小心，否則容易產(chǎn)生負(fù)面影響［8］。

圖9 jog走線方式

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際的RFID項(xiàng)目，利用Allgro PCB SI仿真電路的串?dāng)_信號(hào)，提出了如何更好的避免串?dāng)_的發(fā)生，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性。同時(shí)，在其它的高速電路設(shè)計(jì)中也有一定的借鑒性。信號(hào)完整性問題的引發(fā)因素有很多方面，串?dāng)_是其中的一個(gè)主要的因素，減小串?dāng)_就成為信號(hào)完整性研究的主要方面。理想說來，降低串?dāng)_的方法有很多，但是在高密度和高速電路中，要根據(jù)實(shí)際的情況來折中各種方法，如果只是為了把串?dāng)_減小而不顧實(shí)際情況，這樣的做法是沒有意義的。

［1］游戰(zhàn)清，李蘇劍，鄭利強(qiáng)，等.無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:23-27.

［2］國科辦廳字［1998］82號(hào)文件.中國射頻識(shí)別RFID技術(shù)政策白皮書［R］.北京:中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部等15部委，2006年6月9日.

［3］宋起柱.RFID技術(shù)及電磁兼容研究［J］.中國無線電，2005(12):57-60.

［4］Eric Bogatin.信號(hào)完整性分析［M］.李玉山，李麗平，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006:101-105.

［5］尹建.PCB的電磁兼容性研究［D］:［碩士學(xué)位論文］.成都:電子科技大學(xué)無線電物理系，2006.

［6］張肅文，陸兆熊.高頻電子線路［M］.北京:高等教育出版社，1993:123-147.

［7］Stephen H Hall，Garrett W Hall，James A McCall.伍微高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.2006:47-55.

［8］后盾.信號(hào)完整性分析及其在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［D］:［碩士學(xué)位論文］.杭州:浙江大學(xué)通信與信息學(xué)院，2004.