（微电子学与固体电子学专业论文）uhf+rfid模拟前端电路设计.pdf

摘要 摘要 本文在对超高频电子标签的相关理论和技术进行深入分析的基础上，根据 i s 伽e c1 8 0 0 0 6 聊ea 型协议，对工作在9 1 5 瑚z 频段的电子标签的模拟前端 电路进行了研究和设计。 首先对整个电子标签系统进行了设计，在此基础上进行了电路模块划分和 目标设定。能量问题是超高频电子标签设计的关键，为此本文就电子标签接收 到的能量及芯片的功耗进行了估计，并据此设计了匹配电路。 在前端电路模块设计中，重点对电源产生电路和调制解调电路进行了设计。 电源产生电路包括整流电路和稳压电路，整流电路选用的是5 级n m o s 电荷泵 结构，该电路结构允许输入的电压最低，可以满足超高频标签低输入高输出的 实际需求；稳压电路采用支路分流方式实现分流稳压，得到所需的输出电压。 调制电路使用背散射调制方式，通过增加交容二极管来改变输入阻抗，进而达 到调制信号的目的。解调电路由最简单的包络检波电路及低通滤波电路组成， 用于提取接收载波的包络信号。最后采用中芯国际o 1 8 啪数模混合电路工艺进 行参数设计，对各部分电路模块做了大量的仿真工作，结果表明电路具有较好 性能。 关键字：射频识别电子标签超高频无源 i a b s n 嘲 a b s t r a c t a c c i 谢i n gt 0 也et y p ea 舯咖c o lo fi s 伽e c1 8 0 0 0 - 6 ，t h ea n a l o g 丘d m - e n d c i r c 血f o rn 地9 1 5 zr f dw a sr e s e a r c h c d 孤dd e s i 鲫e d0 nt h ef o 衄d 撕o no f a d e t a i l e da n 嘶出o nn 坨r e l 硝v e 畦1 e 0 巧髓d 由e c h n o l o g y 蠡贸u h fr f d f i r s t l yt l 圮w h o kr f ds y s b 锄姗sd e s i 弘e d ，t h e ni tw 船d i v i d e di 1 1 t os e v e r a l c i r c u i tb l o c k s ，锄d 也et a r g e to f t h ep r o j e c tw 髂m a c l e s i n c et h ep o w e rp r o b l 锄i st h e k e yo n ef o rt 1 1 ed e s i 驴o fu h fr f i d ，t h er e c e i v c dp o w 日a i l dt 1 1 ep o w 盯c o n s 砌p t i o n o f 也e 凼p w e 鹤t i m t e d i n 也e 粥 匹a r e s u l t 也e m 砒c h 幽吼m w 觞d e s i g n e d t h e 锄p h 嬲i so ft l l ed c s i 印w 鹤t h ep o w c fs u p p l yg e n e m t i o nc i r c l d t 柚dt i l e m o d l l l a t i o na 1 1 dd 锄o d i l l a 吐o nc i r c u “锄o n gt h e 矗o m - dc i r c u “b l o c k s t h ep o w c r s u p p l yg e n e m ：【i o nc i r c l l i ti i l c l u d 部廿l er e c t i f i e r 锄dt 1 1 e 托g i l l a t o r 1 k5s t a g en m o s c h a r g ep l m l pc i f c u i tw 嚣1 玲e df o rm e 托c t i f i e rb c c 眦t h el o w e s tv o l t a g ei n p 眦c a nb e p m n i t t c di nt h i s 蛐m 咖r e 锄dm e e tt h ea c t i i a lr e q u e s to fl o wi i l p m 趾dh i g ho u 印u t f o r 舭u h fr f m n er c g l l i 咖ra d o p t e dm e 妣t h o do f b 删础d i m 嘲蜘c et o r e a l i z er e g i l i 撕o na n do b 诅i nt h ev 0 1 t a g eo u l p u tw en e e d b a c l 【s c a n 盯m o d u l a t i o n 哪 a d o p t e df o r 位m o “a t i n 碱c ht h ev 蝴w 舔u s e dt oj h a n g c 哪 i m p c d a n c es o 弱t om o d u l a t en l es i 弘a 1 t h ed e m o d u l 撒t l s e d 廿l es 蚰p l ee n v e l o p d c t e c t o r 锄dl o wp 鹊sf i l t c rt 0p i c ku p 也e 锄v e l o ps i 割l a l 丘d mt l l ec a r t i e f a ti a s tt l l e p r o c 船so f0 1 8 u mi n i x c d s i 驴a lt e c h l l o l o 影i ns m i c 、v 髂a d o 肿狙t 0d e s i 驴吐l c p a r 锄e t c r si nt h i st h e s i s p l 哪o f 出n u i a t i o nw o r l 好h a v eb e d o n et op r o v et h e b e t t e fp e r f o 加1 卸f o re a c hp a r tc i r c 诚 k e y w o r d s ：r f de 一诅gu p 髂s i v e i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：织职蚌 驴年；只| ；日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：秘垠弗 i 汐够年夕月心日 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究目的和意义 在我们的现实生活中【l 】，各种各样的活动或者事件都会产生这样或那样的数 据，这些数据的采集与分析，对于我们的生产或生活决策来说十分重要。在计 算机信息处理系统中，数据的采集是信息系统的基础，这些数据通过数据系统 的分析和过滤，最终成为影响我们决策的信息。在信息技术早期，相当一部分 数据的采集是通过人工手工录入的，这样不仅数据量十分庞大，劳动强度大， 而且数据误码率高，也失去了实时的意义。为了解决这些问题，人们就研究和 发展了各种各样的自动识别技术，以提高系统信息的实时性和准确性，同时将 人们从繁重的且十分不精确的手工劳动中解放出来。 自动识别技术是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的 接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系 统来完成相关后续处理的一种技术。自动识别方法的任务和目的就是提供关于 个人、动物、货物和商品的信息。简而言之，自动识别技术是一种高度自动化 的信息和数据采集技术。最常见的自动识别技术有条形码技术、磁条磁卡技术、 i c 卡技术、声音识别及视觉识别、光学字符识别、射频识别技术等。 几年前1 2 】，条形码曾在识别系统领域引起一场革命并得到广泛的应用。然而 尽管它价格便宜，但由于存储能力有限且不能改写，已经越来越不能满足人们 的需求了。随之出现将数据保存在硅片上的i c 卡，它成为日常生活中电子数据 载体最普遍的结构，但i c 卡却存在机械触点的接通不可靠等因素。随着非接触 式i c 卡推广和普及，射频识别技术开始在识别技术中崭露头角。目前，它己在 许多服务行业、商业部门以及生产流通领域等得到迅速的发展。 r f d 是英文“r a d i o f r e q u e n c y i d c n t i f i c a t i ”的缩写，中文称为射频识别， 是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特 性自动识别目标对象并获取相关信息，实现对被识别物体的自动识别。在r f d 的实际应用中，电子标签附着在待识别的物品上，当带有电子标签的被识别物 第一章绪论 品通过其可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别 信息读取出来，从而实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功能。 与传统的条形码识别技术相比，r f i d 有非常明显的优势嘲： 表1 1r f i d 与条形码比较 条形码 r f i d 工作效率一次只能扫描一个条形码i 心i d 阅读器可同时读取多个标签 阅读速度慢很快 读取距离o 5 0 c 所o 5 聊 一维条形码的容量是5 0 字节，二 r f d 最大的容量则有数兆字节，而且随着 数据容量维条形码最大的容量可储存2 至 记忆载体的发展，数据容量也会不断扩大 3 0 0 0 字符 传统条形码的载体是纸张，容易r f l d 对水、油和化学药品等物质有很强抵 受到污染，而且由于条形码是附 抗性，在黑暗或脏污的环境之中，也可以读 抗污染能力 于塑料袋或外包装纸箱上，所以 取数据，并且r f i d 芯片可以嵌入物品内部， 特别容易损坏因此可以免受污损 需要为了读取精确度而配合纸张 r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限 使用限制 制，此外，r f i d 标签更可往小型化与多样 的固定尺寸和印刷品质 形态发展，以应用于不同产品 条形码印刷上去之后就无法更由于i 强l d 为电子数据，可以反复被覆写， 可重复性 改，而且不能重复使用因此可以回收标签重复使用 条形码扫描机必须在近距离而且在被覆盖的情况下，r f l d 能够穿透纸张、 穿透性没有物体阻挡的情况下，才可以木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能 辨读条形码够进行穿透性通信 由于它的这些优点，在国外，r f d 技术已被广泛应用于工业自动化、商业 自动化、交通运输控制管理等众多领域。最常见的应用有：门禁人事管理、货 物仓储管理、工厂物料控制、废物处理、医疗应用、交通运输、防盗应用、动 物监控，自动控制聊等。总之，射频识别的产品可以用在多个场合，具有广阔的 市场前景。 u i r f ( 超高频电子标签) 是工作在8 6 0 4 勉 9 6 0 彻珐频段的电子标签。 与低频标签相比，超高频电子标签有更明显的优点：读写距离更远，读写速度 2 第一章绪论 极快，耗能少，抗干扰能力强，因此特别适合高速运动物体( 如汽车) 的识别， 如高速公路不停车收费、火车运行监控等。唧频段射频识别产品正在得到全 球范围内的众多厂商的一致认可，将逐步成为r f i d 领域内的主流产品。 1 2 1r f 发展历程 第二节l 汛的技术背景 哪r f d 是利用电磁波工作的，电磁能量是自然界存在的一种能量形式【l 】。 人们对电磁能的认识可以追溯到公元元年，那时人们就发现并开始利用天然磁 石，并用磁石制成指南车。到了近代，越来越多的人对电、磁、光进行深入的 观察及数学基础研究。1 8 4 6 年英国科学家法拉弟发现了光波与电波均属于电磁 能量。1 8 “年苏格兰科学家麦克斯韦发表了他的电磁场理论。1 8 8 7 年，德国科 学家赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论并演示了电磁波以光速传播并可以被反 射，具有类似于光的极化特性。1 8 9 6 年马克尼成功地实现了横越大西洋的越洋 电报，由此开创了利用电磁能量为人类服务的先河。更进一步，在1 9 2 2 年，诞 生了雷达，作为一种识别敌方空间飞行物的有效兵器，雷达在第二次世界大战 中发挥了重要的作用，同时雷达技术也得到极大的发展。至今，雷达技术还在 不断发展，人们正在研制各种用途的高性能雷达。 r f m 技术是直接利用雷达技术发展起来的一种新的自动识别技术。1 9 4 8 年 斯托克发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别r f d 的理论基础。 在过去的半个多世纪里，r f d 的发展经历了以下几个阶段，如果按照l o 年为一个时期，可以划分如下； 1 9 4 1 1 9 5 0 年。雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，奠定了r f i d 技术的 理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年。早期r f d 技术的探索阶段，主要处于实验室研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年。r f d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年。r f d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术测试得到加速，出现了一些最早的r f d 应用。 1 9 8 l 1 9 9 0 年。r f d 技术及产品进入商业应用阶段，规模应用开始出现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年。r f d 产品得到广泛采用，逐渐成为人们生活中的一部分。 3 第一章绪论 从2 0 0 1 年至今，标准化问题日趋为人们所重视，r f d 产品种类更加丰富， 有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不 断降低，规模应用行业扩大，r f m 技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标 签、多个电子标签同时识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适 应高速移动物体的r f i d 正在成为现实。 1 2 2u 砥i 心技术国外现状 r f i d 技术在国外的研究较早也较快，尤其是在美国、英国、德国、瑞典、 瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f d 系统【5 】。u h f 频段的远距离 i 江i d 系统在北美得到了很好的发展；欧洲则以有源2 4 5g 勉系统得到了较多的 应用；5 8g 您系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源r f d 系统。国外的u h f r f i d 产品种类也很多，像德州仪器、m o t o r o l a 、p h 】叫p s 等等世界著名厂家都 生产r f d 产品，并且它们的产品各有特点，自成系列1 6 】。 在商业应用方面发展得也很快。许多欧美国家高速公路有电子收费站，只 要凭着粘在车上的r f i d 辨识卡片，就可直接通过收费道、自动扣款，不须停车； 澳大利亚将r f i d 产品用于机场旅客行李管理，该技术发挥了出色的作用；瑞士 国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装r f i d 自动识别系统，调度员可以实时 的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故的可能性1 7 1 ；德国汉 莎航空公司试用非接触的电子标签作为飞机票，改变了传统的机票购销方式等。 1 2 3u 】日fr f i d 技术国内现状 国内的r f i d 产业才刚刚起步，从业公司无论规模、技术和人员配置等方面 和国外的竞争对手相比还有很大的差距，特别是芯片产业嘲。国内的r f d 研发 主要集中在北京和上海等大城市。目前，上海r f i d 产业链已经初步形成。北京 在上游产品的自主开发方面起色不大，但在应用系统的集成方面却发展较快。 现在中国有许多城市在使用非接触式i c 卡作为地铁、出租、公交的电子车票凹。 目前国内的芯片公司已经完全掌握了1 2 5 觅磁和1 3 5 6 此眈这两个频段的r f d 芯片设计技术【1 0 1 。与国外r f i d 先进技术之间的差距主要体现在r f m 芯片技术 方面。唧频段国内有些公司已经开始着手研究，但由于国内相应的标准还没 有出台，在唧r f i d 方面的开发与应用目前还是空白。 4 第一章绪论 第三节项目来源 本文开发的r f d 为超高频无源电子标签。载波频率为9 1 5 朋z 如，属于超高 频频段，无源指的是电子标签自身没有带电源。本课题来自于北京中电华大电 子设计有限责任公司( c e c h i l a d a e l e 咖n i c d e s i 弘c o ，l n ) 的预研项目。 第四节无源唧i 介绍 射频识别系统的工作频率一般有三个范围：低频( 3 0 瓦眈一3 0 0 咒眈) 、高 频( 3 肘瑟一3 0 0 彪眈) 和超高频( 3 0 0m 眈一3g 王七) 。一般而言，频率越高数 据传输速度越快、抗电磁干扰的能力也越好，低频系统特性虽然不如高频，但 是其架构较为简单，成本较低。不同工作频率的感应技术也大不相同，低频和 高频电子标签的工作原理为电感耦合；而超高频段的电子标签则是发射无线电 波传输信号，利用电磁耦合的原理工作。低频系统主要用于短距离、低成本的 应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等；高频系统标签 可方便地做成卡状，可用于电子车票，电子身份证等；超高频系统应用于需要 较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火 车监控、高速公路收费等系统中应用。 表1 2 三种不同工作频率范围的r m 特点比较 低频l f高频h f超高频u f 工作频率3 0 - 3 0 0j 口扬3 朋z 拓一3 0 0 抒拓3 0 0 i 丑2 3g 月 读取范围 1 m 4 5c 脚l 0 肼3 m 以上 功耗低 d 】 高 数据传输比率慢 由 快 勉强能穿透 穿透能力能穿透大部分物体穿透能力较弱 金属和液体 门禁和防盗系统图书馆系统 航空行李标签 应用仓储货物管理身份识别药品监控跟踪 畜牧或宠物管理电子车票高速公路收费系统 r f d 按供电方式可以分为有源标签和无源标签。 有源标签是指标签内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体 积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作。有源电子标签的工作电源完全 5 第一章绪论 由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器 通讯所需的射频能量。 无源标签其自身没有电源，所需的能量从电磁波中获得。它利用波束供电 技术将接收到的射频能量转化为直流电源为标签电路供电，其作用距离相对有 源标签短，但寿命长且对工作环境要求不高。无源电子标签没有内装电池，在 阅读器的读取范围之外时，电子标签由于没有能量的激活而处于休眠状态；当 标签进入射频识别场时，阅读器发射出来的射频波激活标签电路，标签通过整 流的方法将射频波转换成电能存储在电容中，从而为标签的工作提供能量。无 源电子标签一般采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的数据传送。 有源标签和无源标签的工作方式也不一样，分别对应于主动式和被动式电 子标签。主动式电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器；被动式 电子标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器的载波来调制自己的 信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为阅读器可以确保只激活一定 范围之内的电子标签。被动标签在有障碍物的情况下，用调制散射方式，阅读 器的能量必须来回穿过障碍物两次，损耗的能量更大，而主动标签发射的信号 仅穿过障碍物一次，损耗的能量相对更小，因此主动方式工作的电子标签主要 用于有障碍物的应用中，而且距离更远1 1 ”。 表1 3 有源标签与无源标签对比 有源( 主动) 标签无源( 被动) 标签 能量来源自身电池供电，可持续供电通过电磁感应获取 工作距离l o m 以上，最大可达1 0 0 m最大可达3 8m ，通常2 0 4 0c m 存储容量可达1 6 k 字节以上通常小于1 2 8 字节 信号强度要目低 高 平均成本高低 工作寿命 2 - 4 年 5 年以上 安全性 很难实现标签防拆功能 容易做到标签防拆功能 工作环境要自在高温或低温下电池不能正常工作正常工作温度范围极宽 本次研究的超高频无源电子标签综合了上述两方面的优点。从频率角度， 这种标签比低频标签读写距离更远，速度更快。从是否携带电源角度，由于它 方便采用无源设计，体积小，而且可以嵌入物品内部，因而适应大规模生产。 这种标签的成品外型小巧，轻，薄，安装方便，将会得到更广泛的应用。 6 第一章绪论 第五节1 8 0 0 0 6 标准介绍 在r f d 的研究与应用过程中，通信标准是一个关键性的影响因素，是标签 芯片设计的依据。 目前国际上还没有统一的砒1 d 标准，各国都在积极制定自己的标准。目前 全球r f d 标准呈三足鼎立的局面：国际标准i s 0 c 、美国的e p c 和日本的 u d 技术。世界一些生产i 江d 产品的知名公司都采用自己的标准，这些标准差 别不大却互不兼容，在频段和数据格式上差异很大，给r f m 的大范围应用带来 了困难。我国国家标准化管理委员会已于去年正式成立电子标签国家标准工作 组，负责制定中国的电子标签国家标准，促进中国电子标签的发展。 i s o ，m c1 8 0 0 0 【1 2 】系列标准是基于物品管理自动识别的国际标准，属于国际 空间协议规则范畴，内容包括标签和阅读器间的命令格式，给所有命令提供了 全面的定义，这一系列的标准主要应用于货品管理及物流供应链管理。i s o ，m c 1 8 0 0 0 标准包括7 个部分，涉及1 2 5 尼陇，1 3 5 6 朋勉，4 3 3 溉扬，8 6 0 一9 3 0 慨艮， 2 4 5g 舷等频段，其中的i s 0 1 8 0 0 0 6 是针对频率为8 6 0 9 6 0 协扬的超高频频段 工作的电子标签及阅读器的协议。 i s 0 1 8 0 0 0 6 规定了超高频空气接口通讯的参数，主要定义了呷频率下用 于物品管理的r f i d 的物理接口、防冲突系统和协议参数。其中定义了三种类型 的协议：聊e a 、1 y p eb 和聊ec ( 2 0 0 4 版本【1 3 】中补充) ，见下表。标准规定， 阅读器需要同时支持三种类型，并且能在这三种类型之间切换，标签需要至少 支持一种类型。 表1 41 8 0 0 0 6 标准的三种协议 协议 t y p e at y p e bt y p e c 比特率 3 3 晒1 0 - 4 0 肋邺 2 6 7 1 2 8 七幻两 阅读器到标签 调制方式 a s ka s kd s b a s k ，s s b a s k ，讲p r a s k 编码方式p m m a n c h e s 自e r u n i q u e l yd e c o d a m e 眦 比特率 4 0 魉p4 0 t 咖 m ：4 0 树0 地芦 标签到阅读器 s u h a 币c rm o d u l 积一：5 3 2 0 肋声 调制方式 a s ka s ka s k 柚d ，o rp s km o d u l a c i 编码方式 f m of m 0f m o 或m i l l e rs u b c a 州e r 7 第一章绪论 1 阳ea 协议的通讯机制是基于一种“阅读器先发言”的，即基于阅读器的 命令与电子标签的回答之间交替发送的机制。阅读器发送的数据采用a s k ( 载 波幅度调制) 进行调制。数据编码采用脉冲宽度编码( p ) 来编码数据，即通 过定义下降沿之间的不同宽度来表示不同数据信号。标签通过反向散射给阅读 器来传输信息，数据速率是4 0 髓筇，数据采用f m o 编码。f m 0 编码又叫双相 间隔编码( b i p h 嬲es p a c e ) ，是在一个位窗内采用电平变化来表示逻辑，如果电 平从位窗的起始处翻转则表示逻辑“1 ”；如果电平除了在位窗的起始处翻转， 还在位窗的中间翻转则表示为逻辑“o ”。 1 阳eb 的传输机制也是基于“阅读器先发言”的。阅读器发送的数据采用 a s k 调制，速率规定为1 0 地矽或4 0 始舻，数据编码用曼彻斯特( m 锄c h e s t e r ) 编码来完成。具体来说就是一种o n _ 0 行k e y 格式，射频场存在代表1 ，射频场不 存在代表o 。m a i l c h e s t c r 编码是在一个位窗内采用电平变化来表示逻辑“l ”( 下 降沿) 和逻辑“o ”( 上升沿) 的。反向链接同t 细ea 一样，通过调制入射并反 向散射给阅读器来传输信息，数据速率是4 0 七枷，同样采用f m 0 编码。 1 细ec 主要补充了标签反向传输信息时的通讯方式，如在调制方式中增加 了p s k ( 相位调制) 调制方式，在编码方式中增加了米勒副载波编码方式。米 勒编码是采用稳态来表示逻辑“l ”，电平变化( 上升沿或下降沿) 来表示逻辑 “0 ”的。 不管遵循1 印ea 、t 细eb 或t y p ec 协议，r f i d 产品都能很好的实现远距 离自动识别的应用。从技术上说，这三个标准的差别并不大，对于阅读器的设 计来说比较容易实现同时支持三种协议，达到兼容；电子标签也只需要支持其 中一个协议。聊ea 相对来说支持的存储容量大、抗冲突能力较弱、数据结构 较复杂、指令类型多：1 卯eb 相对来说支持的存储容量较小、抗冲突能力较强、 数据结构和指令简单；1 卯ec 可选用的调制方式和编码方式更多样。从技术的 角度和r f i d 应用的角度来说，目前的这三种协议仍存在着一些不足，如防冲 突机制的识别效率还有待提高；数据、指令和识别过程比较复杂，不适应一些 需要高速识别的应用；对一些社会问题如个人隐私保护考虑不周等等，这些都 有待迸一步改进。 r f m 正在快速发展，各种新技术新标准仍在不断的推出，i s 0 ，m c18 0 0 0 6 标准也会不断完善。i s o ，m c1 8 0 0 0 6 标准具有广阔的发展前景，它必将对未来 的自动识别技术的发展起到积极的推动作用。 8 第一章绪论 第六节论文结构 本文共分六章，其中第一章介绍了哪r f i d 的研究目的、意义和国内外 发展现状，第二章介绍了电子标签的基本原理，第三章介绍了呷r f d 模拟 电路系统设计，第四章介绍了天线及匹配电路的设计，第五章介绍了i j l i 江d 模拟电路的设计及仿真结果，最后第六章对所做的工作进行了总结。 9 第二章u 胛r f i d 基本原理 第二章u fi 心i d 基本原理 射频识别是一门跨学科的技术，它将不同专业领域的技术综合成一体，如： 高频技术，电磁耦合，天线理论，半导体技术，集成电路原理，数据通信以及 密码学等。本章就其中的电磁学理论、天线知识及哪r f i d 的系统原理作重 点介绍。 第一节射频识别系统的物理基础 与h fr f d 电感耦合不同，唧r f d 是按电磁耦合原理工作的，因此理 解阅读器与标签之间能量和数据传输过程，首先要理解电磁现象的物理本质和 远距离磁场中波的传播以及雷达技术的原理。 电磁波是如何产生的呢? 我们知道，随时间变化的空间磁场会激发出有闭 合电力线的涡旋电场，这种电场包围磁场，并且本身随时间变化，所以又会在 空间激发出有闭合磁力线的涡旋磁场。这个磁场包围电场，并且也是交变的， 它又在自己周围激发涡旋电场。交变的涡旋电场和涡旋磁场相互激发，闭合的 电力线和磁力线就象链条的环节一样一个个地套连下去，在空间传播开来，就 形成了电磁波【1 4 】。 在发射源一个波长范围内，射频信号由相互垂直的电场e 和磁场h 组成， 沿着垂直于电场和磁场所在平面的方向传播。电场直接随电荷变化，磁场直接 随电流变化。电流与电荷有9 0 度相位差，则h 和e 亦然。在远距离场( 自由空 间) 中，存在着电磁场的电场强度与磁场强度之间的固定关系。两种场强经过 波阻抗z f 互相关联： z ，= 告= 风岛= 3 7 6 7 3q ( 2 1 ) 电磁波的频率不同，波长也不会相同，其传播特点也不完全相同。电磁波 在远距离场中以光速( 3 0 0 1 0 6 砌) 传播，电磁波的波长可以从光速和辐射频 率的商数中得出： 五：旦( 2 2 ) 1 0 第二章u 盱r f i d 基本原理 电磁波从天线向周围空间发射会遇到不同的目标，达到目标的高频能量的 一部分被目标吸收转变成热量，另外一部分以不同的强度散射到各个方向上去。 反射能量的一小部分最终返回到发送天线。在雷达技术中，用这种反射测量远 程目标的距离和方向，如图2 1 所示。 图2 1 雷达模型原理图 雷达向自由空间发射电磁波，遇到飞机后电磁波被散射到空间各个方向， 其中只有一小部分电磁波原路返回，雷达根据返回电磁波的方向及能量的大小 来判断飞机的方向和距离，甚至还可根据电磁波的变化来计算飞机飞行的速率 和方向。哪r f d 系统就是利用了雷达技术的这种探测原理。 电子标签和阅读器通过各自的天线构建成二者之间非接触信息传输通道。 这种空间信息传输通道的性能完全由天线周围的场区特性决定，是电磁传播的 基本规律。射频信号加载到天线之后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场之外， 还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线距离增大而迅 速减小，这个区域称为无功近场区。无功近场区是一个储能场，其中的射频能 量以电场磁场的形式相互转换，类似于变压器中电场与磁场之间的转换，并不 向外传播能量。越过近场区就是辐射场区，辐射场区的电磁场已经脱离了天线 的束缚，并作为电磁波进入空间，辐射场中能量以电磁波的形式向外传播。i j l r f d 工作于天线的辐射场区，电子标签工作所需的能量来自于阅读器辐射的电 磁波，距离阅读器越近，获得的能量越大，反之则越小。 第二章u 耶r f i d 基本原理 第= 节电子标签天线 天线是一种能把无线电收发机的射频信号和能量接收或辐射出去的装置。 在l 疆d 系统中，天线是标签与阅读器之间传输数据的发射和接收设备。由于 呷r f d 是使用电磁耦合的工作原理，电子标签的天线必须能够接收和发射电 磁波，而无源电子标签的天线还必须承担接收能量的作用。 2 2 1天线选型 设计电子标签的天线，首先要考虑天线类型的选取。不同类型的天线其结 构也不一样，而天线结构决定了天线方向图、极化方向、天线增益和工作频段 等特性。除了天线的类型之外，还必须考虑到天线的阻抗因素影响。为了达到 最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗最佳匹配。 除了天线本身，在实际应用中，天线特性还受所标识物体的形状及物理特 性影响。受应用场合的限制，r f d 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物 体表面，甚至需要嵌入到物体内部，这势必影响到天线的性能。如金属物体对 电磁信号有衰减作用，金属表面对信号有反射作用，弹性基层会造成标签及天 线变形，物体尺寸对天线大小有一定限制等。 此外，天线特性还受天线周围物体和环境的影响。障碍物会妨碍电磁波传 输：金属物体会产生电磁屏蔽，导致无法正确地读取电子标签内容；其他宽频 带信号源，也会产生电磁干扰，影响电子标签的正确读取。 所以选取天线时除了考虑理论上即在无外界干扰的情况下标签天线能正常 工作，也要考虑到标签所用于的物品特性及工作环境等实际应用情况。 本次设计哪r f i d 选用的天线类型为半波对称振子天线，它结构简单， 而且具有容易生产制造和低成本的优点 ”】。虽然振子天线并不一定是超高频标 签天线的最佳选择，但是它已经能够很好地完成标签与阅读器之间通信的任务。 2 2 2 对称振子天线 电流呈驻波分布的线形天线叫做振子天线。两臂长度相等的振子天线就是 对称振子天线1 6 1 。如果对称振子天线全长为二分之一波长，则称为半波对称振 子天线。在实际应用中，把两根长度为工作波长的四分之一、材料完全相同的 1 2 第二章u h fr f i d 基本原理 导线或金属棒首尾相邻放置在同一条直线上，并在其相对端加上电源激励就构 成了半波对称振子天线切。 图2 2 给出了一个普通对称振予天线的结构简图，d 为振子的直径，l 为臂 长，半波振子天线的臂长值为a “，所构成的天线总长度为九，2 。 d il ： 、，4 浦接 一，4 浦* ： 图2 2 半波对称振子 参数d 和l 之间要满足关系d l ，这样天线上的电流才可以近似地看作驻波 分布，其输入输出特性才可以用振子天线的推导方法来计算。随着这一条件的 破坏，天线的真实性能与理论计算结果之间的偏差将越来越大。 电磁波从发射天线辐射出来以后，向各个方向传播，若电磁波的传播方向 上有一个对称振子天线，在电磁波的作用下，振子天线上就会产生感应电动势。 如果此时天线与芯片电路相连，则在芯片输入端就能产生高频电流，这样对称 振子天线就起到了接收天线的作用，接收电磁波并转化为电路电源。接收效果 的好坏除了电磁波的强弱以外，还取决于天线的方向性和半波对称振子天线与 后端芯片电路的匹配情况。关于天线的匹配设计的详细介绍，参见第四章。 2 2 3 天线参数 射频信号的辐射只能以电磁场的有限传播速度( 光速) 发生，它防止了天 线上的电压随着其附近场的改变而突然改变。对于对称振子，其长度与电磁波 的波长有直接联系。哪r f m 工作频率为9 1 5j i 正眈，从公式( 2 2 ) 可以得到其 对应的载波波长为： a = 号= 蒜艘船7 硎 眨s ， 】3 第二章u 盱i l f i d 基本原理 u l 妤i 懑i d 采用的是半波对称振子，其天线长度为四分之一波长，就可以通 过波长求得天线长度为： 甜= o 5 a 1 6 3 9 4 伽( 2 4 ) 其中，l z 8 1 9 7 册，为天线一臂的长度。 对称振子天线的有效长度定义为： 吃：三培娶 ( 2 5 ) 吃2 = 培了 2 5 ) 其中，a 是相位常数， 口= 挈1 9 1 5 61 埘 ( 2 6 ) 由于l = 九4 ，所以半波振子天线的有效长度为 危= 生1 0 4 3 6 册( 2 7 ) 如果是很短的振子，即l 疏，此时 留婴。婴 ( 2 8 ) 留了4 了 ( 2 8 ) 则 吃；互娶：z ( 2 9 ) 这说明如果半波对称振子天线的长度很短，则其有效长度只有实际长度的 一半。 下面分析在电磁场中对称振予天线周围的电场和磁场分布。 对称振子天线周围的电场强度分布为1 明： ：堕 ， c o s ( 耐c o s p ) 一c o s ( 口，) s i n p，s i n 口 矿肌( 2 1 0 ) 其中，r 为作用距离，0 是r 与振子天线的夹角，特别地，当振子天线垂直极 化，即0 = 9 0 。时， 乞，：祭筹。5 7 4 9 3 3 x 1 0 3 胁1 1 5 2 卿( 2 1 1 ) f 壬5 2 1 8 1 0 。 一一。 磁场分布可以通过电场和波阻抗得到( 公式( 2 1 ) 的对数形式) ： 日【扭4 m 】：e 以b 矿m 卜5 1 5d 8( 2 1 2 ) 日【卿4 聊】1 1 5 2 地一5 1 5 拈= 6 3 7d b ( 2 1 3 ) 】4 第二章u 咿r f i d 基本原理 电场和磁场都是矢量，除了大小之外还有方向，天线周围的电磁场方向分 布如图2 3 所示。 图2 3 天线周围的电磁场方向分布图 天线的接收电动势表达式为： = e 吃f ( 臼，咖 ( 2 1 4 ) 其中e 为电场强度，l l c 为有效长度，f ( o ，q ) 是归一化方向性函数，表达式为： 即劢= 高b 型絮芋型 当天线垂直极化时取最大值： ，( 口，奶。i p = l 2 对称振子天线的有效面积定义为： 彳：丝 4 石 c o s ( 要c o s 口) s i n p ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中g 是天线的增益，为方向性系数与天线效率之积： g = d 玎 ( 2 1 8 ) 1 5 第二章u 吓r f i d 基本原理 方向性系数表达式为： d ：7 l ：塑监：竺坠! ! 坐竺盟乩6 4 ( 2 1 9 ) f - f 2 妒) s i n 伽 b ” r r 是半波振子天线的辐射电阻，计算公式为： 足= 2 吣f ) 2 o 圭 o 1 2 5 2 4 7 研o 1 2 5 2 5 器2 4 顶娟咖加， 1 1 1 删1 7 0 2 5 3 力，功耗也不 小。允许最低输入电压的整流器结构是n m o s 电荷泵结构整流器，但是功率消 耗却最大。最低功耗的整流器结构是p m 0 s 洲o s 交叉连接桥整流器，但是其 转换效率不高，而且输入电压也要较大。输入电压与p c e 综合考虑最好的结构 是肖特基二极管整流器【2 8 】，但是目前工艺方面还无法实现。 由于本次设计的是u h f 频段的标签电路，其设计关键是能在低输入电压条 件下正常工作，满足这个条件的只有电荷泵结构整流器和肖特基二极管整流器， 但肖特基二极管整流器目前工艺还实现不了，因此选择了允许最低输入电压的 n m o s 电荷泵作为整流器。 5 2 1 4 设计时的考虑 m o s 管尺寸的设计：电荷泵式整流器的输入阻抗主要决定于结电容和衬底 电容，很大一部分能量消耗在m o s 管的沟道阻抗上，这严重影响了转换效率p c e 的提高。m 0 s 管的尺寸越小，内阻越大，输出直流电压和p c e 就越低。但是 m o s 管的尺寸也不是设计得越大越好，因为晶体管的尺寸越大，则寄生电容也 越大，两者要折衷考虑。在寄生电容不影响整流器正常工作的情况下，把m o s 管的尺寸设计到一个合适的值。 电荷泵级数的设计：电荷泵结构中，泵的级数越多，能量消耗越大，p c e 也就越小。因为电路中的每一个器件都要消耗能量，所以管子数量越多，p c e 越小。同时，为了得到更高的输出电压又需要更多级数的电荷泵，p c e 和输出 电压之间是互相矛盾的。因此设计中在保证输出电压的情况下，管予数量越少 越好。 仿真前的准备：在h s p i c e 中能量的计算方式为电压与电流的乘积( 公式5 2 ) ， 实际中可以用公式5 3 来计算。在h s p i c e 中p c e 是由公式5 4 得出的。其中， p a v g ( 1 0 a d ) 是负载消耗的平均能量，p a v g ( w h o i e ) 是总的能量消耗的平均值。 尸( r ) = y ( f ) ，( f ) ( 5 2 ) 第五章唧r f i d 模拟电路设计与仿真 p o ) 2 = ，2 ( f ) r p c e ：墼 ( w 矗砒) 5 2 1 5 整流器仿真 从表4 1 可以得到，在5 4 6 脚“6 8 洲一1 0 0 删，对应的接收电动势幅值为： ( 5 3 ) ( 5 4 ) 研范围内，天线接收到的能量值为1 5 0 吃= 寺巧一，= 2 与，耳= o 1 4 8 o 1 2 1 矿 ( 5 5 ) 二 ， 经过匹配谐振回路之后的输出电压，亦即整流器的输入电压为： = o 6 一o 7 4 矿 ( 5 6 ) 取最小输入电压幅值o 6 矿作为整流器输入电压的幅值。 整流器采用电荷泵级联式结构整流器进行参数设计和电路仿真，其电路图 见图5 2 。其中总共有5 级电荷泵，每一级包括两个m o s 管，所有m o s 管按同 一参数设计，m o s 均为耗尽型n m 0 s 。 础 一 图5 2 电荷泵式整流器 4 3 第五章u | 1 fr f i d 模拟电路设计与仿真 仿真结果如图5 3 所示，仿真图左边一栏的电压节点对应予电路图中每一级 的节点图中的5 个正弦波从下到上分别为第一级到第五级电荷泵的输入曲线， 5 条近似于直线的曲线分别为电荷泵的输出曲线 图5 3 电荷泵式整漉器仿真图 把其中的部分曲线单独提取出来，可以更方便查看电荷泵输入输出曲线的 幅值，同时也可以更深刻地了解电荷泵对于电压的提升的作用。 图5 4 整流器输入曲线 4 4 第五章i i fr f i d 模拟电路设计与仿真 输入曲线( 天线a m l 输入，卸也接地) 为9 1 5j 嘲l 、o 6y 正弦波( 图5 4 ) 。 经过电容后的输入( 红色正弦曲线) 及第一级电荷泵输出( 土黄色小波纹 曲线) ，比较上一个图电压幅值已经有明显的升高，如图5 5 所示 图5 5 第一级电荷泵输出曲线 中间过程见总仿真图 图5 6 示出第五级电荷泵的输入( 蓝色正弦曲线) 和输出( 近似为直线的绿 色曲线) 曲线： 阔5 6 整流器输出曲线 仿真结果得到最。l 嚣输出3 8y 直流电压，荐经过分流稳压器就可以得到我们 需要的1 8 矿的直流电源，说明这种整流器结构还是可用的，它解决了芯片的能 量问题，这与设计前预期的结果相符。 第五章u i i fr f i d 模拟电路设计与仿真 本次设计所选用的5 级电荷泵结构整流器，满足了输入极低电压，输出较 高电压的实际需求。把低电压通过泵式结构提高，这是该结构的最大优点。然 而在所有整流器中这种结构又是功耗最大的，这是该种结构最大的缺点。不过 从实际解决问题的角度来看，采用这种结构是较好的选择。 5 2 2 稳压器设计 5 2 2 1 引言 电子标签处在阅读器可识别范围内的时候，阅读器提供足够的能量供给电 子标签正常工作，从而实现自动识别。在这个可识别范围内，电子标签到阅读 器的距离有远也有近。我们知道，电磁场强度与距离的平方成反比，距离越近 场强越大，距离越远场强越小。在不同的空间位置，电磁场强度差别很大，可 以相差十几倍甚至上百倍。标签接收到的输入射频能量也会因为电