（微电子学与固体电子学专业论文）射频识别标签芯片模拟前端设计及实现.pdf

i 、j ， 华中科技大学硕士学位论文 摘要 r f i d 是一种非接触式自动识别技术，在物流管理领域具有很大应用前景，本论 文所阐述的无源标签芯片完全遵循i s 0 1 5 6 9 3 标准，主要面向中低价格电子标签市场， 即用于运输、仓储、包装、门禁、金融、图书管理、文件管理等领域，该芯片由模拟 前端、数字控制器、e e p r o m 存储单元阵列组成，其中模拟前端负责完成能量的获取， 各种电源的产生、复位信号的产生、时钟信号的产生、a s k 信号的解调、和调制信号 的发射，本论文设计了此无源标签芯片中的模拟前端电路，并进行了版图验证。内容 包括r f i d 系统工作原理，i s 0 1 5 6 9 3 协议简介，射频识别系统模型的建立，系统方案 的设计和各个子电路的设计，诸如整流滤波电路，数字电源产生电路，模拟电源产生 电路，限压及静电保护电路，偏置电流产生电路，复位电路，调制解调电路等，特别 对其中一些电路进行了特别详细的介绍，例如整流滤波电路、1 0 解调电路、调制电 路。整个模拟前端电路采用s m i c 公司0 3 5 9 m 2 p 3 m 嵌入e e p r o m 工艺，利用了 v i r t u o s o 进行版图绘制，采用c a l i b r e 工具对版图进行了d r c 检查、l v s 检查、l p e ( 寄生参数提取) ，提取版图级网表。单独对设计的模拟前端电路进行了后端仿真， 利用v e r i l o g x l 工具进行模拟前端和e e p r o m 的混合后仿真，利用n a n o s i m 工具进 行模拟前端电路和数字控制器部分的混合后仿真，仿真结果显示所设计的模拟前端电 路工作良好，满足设计要求。 关键词：射频识别i s 0 1 5 6 9 3 标签芯片模拟前端版图验证 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r f i di sat e c h n o l o g yo fc o n t a c t l e s sa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n ，w h i c hh a s ab r i l l i a n t a p p l i c a t i o nf u t u r e i nt h ef i e l do fl o g i s t i cm a n a g e m e n t t h i s p a p e rd e s c r i b e sp a s s i v e c o n t a c t l e s st a gc h i pc o m p l y i n gw i t ht h es t a n d a r do fi s o1 5 6 9 3 t h e c h i pi sa i mf o r l el o w p r i c et a gc h i pm a r k e t ，s u c ha st r a n s p o r t a t i o n ，s t o r a g e ，p a c k a g e ，g a t e p r o h i b i t i o n ，f i n a n c e ， b o o k sm a n g e m e n t , f i l e sm a n a g e m e n t t h i sc h i pi s c o m p o s e do fa n a l o gf r o n te n d ，d i g i t a l c o n t r o l l e r , a r r a yo fe e p r o ms t o r a g ec e l l a n a l o gf r o n te n di si nc h a r g eo f o b t a i n i n ge n e r g y ， p r o v l d m g a l lt h e p o w e rs u p p l y , g e n e r a t i n gr e s e t s i g n a l ，p r o d u c i n gc l o c ks i g n a l ， d e m o d u l a t i n gt h ea s ks i g n a la n dt r a n s m i t t i n gm o d u l a t e ds i g n a l t h i sp a p e rm a i n l yd e s i 飘s c i r c u i to fa n a l o gf r o n te n di nt h ec o n t a c t l e s st a gc h i pa n d v e r i f yt h ec i r c u i tb yt h el a y o u t t h ec o n t e n ta sf o l l o w s ：t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fr f i d ，t h es t a n d a r do fi s o 15 6 9 3 t h e e s t a b l i s h i n go fr f i ds y s t e mm o d e l ，t h ed e s i g no fs y s t e ms c h e m ea n de v e r ys u b c i r e u i t s u c ha sr e c t i f i e ra n df i l t e rc i r c u i t ，t h ec i c u i to f d i g i t a ls u p p l yg e n e r a t i n g ，t h et i r e u i to f a n a l o gs u p p l yg e n e r a t i n g ，t h ec i r c u i tf o rl i m i t i n gv o l t a g ea n de l e c t r o n i c s t a t i cp r o t e c t i o n t h ec i r c u i tf o rg e n e r a t i n gb i a sc u r r e n t , t h ec i r c u i tf o rp r o d u c i n gr e s e ts i g n a l ，t h ec i r c u i tf o r m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ne t c s o m ec i r c u i t ss u c ha sr e c t i f i e r a n df i r e rt i r e u i t t e n p e r c e n td e m o d u l a t i o nc i r c u i t , m o d u l a t i o nc i r c u i ta r e s p e c i a l l yi n t r o d u c e di nt 1 1 i sm e s i s 0 3 5 i - t m2 p 3 me m b e d e de e p r o mt e c h n o l o g yo fs m i ci su s e df o rd e s i g n i n gt h ea n a l o g f r o n te n d a tl a s tt h el a y o u ti sd r a w n b yu s eo fv i r t u o s o ，a n dg i v e nd e s i g nr u l ec h e c k 1 a y o u tv ss c h e m a t i c sc h e c k ，p a r a s i t i c a lp a r a m e t e re x t r a c t i o n t h el a y o u tn e t l i s ti se x n a c t e d t h ea n a l o gf r o n tc i r c u i ti sg i v e n p o s ts i m u l a t i o n t h e nt h ee x t r a c t e da n a l o gf r o n tn e t l i s ta n d e e p r o mn e t l i s ta r eg i v e nm i x e dp o s ts i m u l a t i o nb yu s i n gv e r i l o g x l t h ee x t r a c t e da n a l o g f r o n tn e t l i s ta n dd i g f f a ln e t l i s ta leg i v e np o s tm i x e dp o s ts i m u l a t i o nb yu s eo f n a 玎【0 s i m s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f a n a l o gf r o n t - e n dc i r c u i tm e e t sr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：i 江i d i s o15 6 9 3 t a gc h i p a n a l o gf r o n t - e n d l a y o u tv e r i f i c a t i o n 一 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：桶承乎 日期：矽耖月7 日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密面。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：栖狱手 指导教师签名： 日翌：p ( 年j 月7 日 日期：少。厂年啊日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 1绪论 r f i d 是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象电子标 签并获取相关数据，可工作于各种恶劣环境，识别高速运动物体并同时识别多个标签， 操作快捷方便，因而有广泛的应用；特别是低成本高可靠性电子标签在现代物流行业 的应用，电子标签的市场用量巨大，具有明显可观的经济效益与社会效益【1 】【2 】。 r f i d 技术起步较早，受各方面因素特别是成本的限制，应用局限在少数重要、 或尖端的检测领域如国防，规模不大。直到近几年超大规模集成电路技术和无线通信 系统技术的突破性发展，低成本、高可靠性电子标签得以进入物流行业应用，才显出 大规模发展的态势。 据报道，未来几年中国r f i d 标签的应用需求将有数十亿元之巨。中国标准化协 会的e p c 和“物联网”应用标准化工作组此前对中国的r f i d 应用市场作了相关调查 和分析，调查的主要对象是2 0 0 3 年中国5 0 0 强企业。工作组首席科学家陈十一说： “调查后工作组预计未来在r f i d 标签的使用上，中国每年大概需要3 0 亿个以上的 r f i d 标签。其中，电子消费品将需要8 3 0 0 万个标签；香烟产品将需要8 亿个标签； 酒类产品将需要1 3 亿个标签；i t 产品大概需要1 3 亿 - 一1 4 亿标签。”可见，中国的 r f i d 市场极其广阔。 工作频率为1 3 5 6 m h z 的r f i d 标签芯片标准有i s 0 1 5 6 9 3 和i s 0 1 4 4 4 3 。能提供 标准产品的国外公司主要有：p h i l i p s 、t i 、i n s i d ec o n t a c t l e s s 、m i c r o c h i p 、s t 等公司； 国内公司有复旦微电子、上海贝岭、上海华虹等。另一个潜在的竞争者就是现有条形 码技术。 和传统的条形码技术相竞争，r f i d 有以下优势： ( 1 ) 快速扫描【3 】 条形码一次只能有一个条形码受到扫描；r f i d 读卡器可同时辨识读取多个r f i d 华中科技大学硕士学位论文 标签。 ( 2 ) 体积小型化、形状多样化 r f l d 在信息的读写上不受尺寸与形状限制，不需要为了读取精确而配合固定的 尺寸。此外，r f i d 标签更往小型化与多样化发展，以应用于不同的产品。 ( 3 ) 抗污染能力和耐久性强 传统的条形码的载体是纸张，因此容易受到污染和折损，但r f i d 对水、油、化 学药品有很强的抵抗性，并不易折损。 ( 4 ) 可重复使用 r f i d 标签可以重复地新增、修改、删除其内部储存的信息。 ( 5 ) 穿透性和无屏障阅读 ( 6 ) 数据的记忆容量大 一维条形码的容量是5 0 b y t e s ，二维条形码的容量是可存储2 至3 0 0 0 字符，r f i d 的容量最大可以达到m b y t e s 。 ( 7 ) 安全性 由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不容易 被改造和伪造。 ( 8 ) 与条形码相比，电子标签还有一个重要的不同。 条形码是按照品类编码即同一个品类为同一个编码，如所有同规格的“五粮液” 酒是一个条码，而电子标签是按照单个商品实施编码，如对于每一瓶“五粮液”酒都 有一个不同的编码，此特性决定了在物流上的应用。 国外公司的产品价格过高、规模不够。目前国际上多家大型半导体厂商均提供基 于i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 标签芯片，但是它们还不能满足市场的低成本要求，t i 、 p h i l i p s 等公司的基于i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 标签芯片在中国的市场价格均在8 r b m 以上，因而都还没有大规模地市场应用。 国内i c 设计公司基于i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 芯片尚无完整产品。包括国际上的 半导体厂商均能提供符合i s 0 1 4 4 4 3 标准的r f i d 芯片产品，但是其传输距离在0 1 0 c m ，而基于i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 标签芯片在o l m ，配合适当的天线其最大有效 华中科技大学硕士学位论文 作用距离可以达到1 5 m ，这才是真正意义上物流市场的应用。目前国内尚没有一家单 位能形成i s 0 1 5 6 9 3 系列完整产品。 现在符合i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 标签产品的国内市场，完全被国外产品占领， 价格居高不下，所以开发我们国家自己的、符合i s 0 1 5 6 9 3 标准的、低成本r f i d 标 签产品势在必行。 本论文所设计的c n l 3 0 2 系列的r f i d 电子标签芯片主要面向1 0 美分1 美元电子 标签的市场，即用于运输、仓储、包装、门禁、金融、图书管理、文件管理等领域， 以典型应用市场开发的中烟工业公司物流应用为例，国内烟草企业的生产与流通过程 中机读识别物流量巨大，达蛰 1 8 5 0 0 万件年；分检阶段达至1 j 9 2 5 0 0 0 万条年，如成本 达到要求，最终单位的防伪识别应用量高达9 2 5 0 0 0 0 万合年。可见本项目的市场前景 非常广阔。 1 2r f i d 技术发展趋势 r f i d 技术上存在的一些问题，使其大规模应用受到限n t 4 。r f 标签芯片方面 存在的技术问题主要体现在成本问题、识别率问题、安全性问题。因而当今r f i d 的 技术和工程领域的发展趋势，主要有以下三点： ( 1 ) 降低础7 d 标签芯片成本。 r f i d 系统的成本中占最主要因素的是大量使用的r f i d 电子标签，r f i d 市场大 幅成长需要低廉的电子标签推动才有可能完成。国内外在降低标签成本上的发展趋势 是： a ) 缩小芯片面积； 标签成本的关键是所用芯片的大小。显然，在某种工艺下，功能越简单的电路其 面积越小。硅电路中一个门的成本大约为千分之一美分，如果全球一年生产的商品数 量超过5 0 0 0 亿，在标签上每增加一个门电路就要多耗费超过5 0 0 万美元的成本。早在 2 0 0 3 年日立公司就已经生产出内置天线、面积为0 4 m m 2 见方的标签芯片。该芯片片内 仅含有1 2 8 b i tr o m ，因而减少了高压电源产生电路、e e p r o m 控制与接口电路、读写 指令电路等，精简了电路功能，缩小了芯片的面积。 华中科技大学硕士学位论文 b ) 设计更精细的芯片切割技术； 当芯片设计的足够小后，遇到的困难是如何将这些小如灰尘的芯片从晶片上切割 出来。当前的芯片主要采用金刚石刀具切割，其能切割的最小芯片受到金刚石刀具的 物理尺寸限制。为了切割出更小的芯片，有些公司正在开发新的芯片切割技术，比如 将酸性液体倒在晶片上，然后腐蚀割开晶片，这种技术可以切割出1 5 0 平方微米的芯 穴o c ) 降低标签的封装费用，包括发明新的封装技术和方法、减小天线的面积国际上 r f i d 标签封装的主流技术路线是采用“p i c k p l a c e ”方式的串行封装装配技术，缺 点是每个芯片都必须经过机械手逐一封装，如果要增加产量就必须提高设备的运行速 度和机械手的数量，相应的制造装备的复杂性和成本就会增加。目前国外这种设备的 年产能在3 千万年左右，价格在1 0 0 多万欧元。与串行封装装配相对应的并行封装装 配技术可以实现多个芯片同时封装装配，因此可大大地提高封装设备的产能。并行封 装装配技术的典型例子是美国a l i e n 公司的流体自装配( f s a ) 技术，此外，荷兰p h i l p s 公司的振动装配( v i b r a t i o n a s s e m b l y ) 技术、美 m a t r i c s 公司的p i c a ( p a r a l l e li n t e g r a t e d c h i p a s s e m b l y ) 技术都是延并行封装的思路提出的，目前也在实验探索阶段。 d ) 将印刷式集成电路即将电路直接用打印机打印出来，属于有机科技的技术范畴， 有望大幅降低芯片的成本。 e ) 另一个构造低成本标签的关键是降低天线成本。芬兰的r a f s e c 公司已经开创了高 速电镀技术，使用导体墨水绘制天线，然后将一层金属印在它的顶部，利用这项技术， 在大批量生产情况下，可以将天线成本控制在l 美分左右。d o wc o m i n g 公司推出的高 导电性银墨( s i l v e ri n k ) 可以为r f i d 标签提供廉价的天线设计。 f )寻找硅的替代品。研究利用硅的廉价替代品( 人工聚合物或特殊晶片) 生产r f i d 标签的技术，甚至是纯粹利用磁性的“无芯片标签”可以大幅降低标签芯片成本，并且 可以拓宽r f i d 标签的应用范围。 ( 2 ) 提高r f i d 标签的识别率。 由于金属和液体对空间电磁波的吸收，使得r f i d 在这类商品上的识别上面遇到 困难。提高识别率可以使r f i d 系统的应用领域更宽，有更多的市场。提高r f i d 标 华中科技大学硕士学位论文 签的识别率，成为技术上需要解决的紧迫问题。目前国外在提高识别率方面做了许多 努力，提出了无芯片标签技术，声表面波( s a w ) 技术，纳米技术，基因技术和导电墨 水技术。某些技术已经从实验上证实可以在特定应用领域提高识别率，但仍未达到百 分之百的识别率。也有其它厂商提出从工程上来提高r f i d 系统的识别率，比如不同 的应用采用不同频段的标签，比如多次读取r f i d 标签等。在技术上存在缺陷时，工 程上的解决方案可以很大程度上提高系统识别率。 ( 3 ) 增强数据安全性 r f i d 产业化受阻的另一个因素是欧美国家人们对安全性及个人隐私的考虑【5 】。如 果电子标签中的信息被窃取，复制并被非法使用的话，将会带来无法估量的损失。解 决安全性的最可靠的途径是设计更复杂的微处理器以及更大容量的内存，这样就可以 进行更复杂的加密算法以防止数据的非法窃取，但是这将增加标签的成本，不利于 r f i d 标签应用领域的扩大。如何在不增加太多成本的同时提高电子标签的安全性是 一个有待进一步研究问题。 1 3 后续章节安排 本论文遵循先整体后局部的撰写方案。首先从系统上描述射频识别系统的运作、 模拟前端整体方案的设计及其系统模型的建立，然后详细阐述各个子电路的设计及其 各个子电路的仿真结果，最后对整个模拟前端进行后仿真性能验证及其版图实现，本 论文的重点是各个子电路的设计。所以后续章节安排如下： 第一章综合阐述r f i d 技术发展概况，第二章阐述电感耦合式射频识别系统模型， 第三章开始介绍各个电源电路设计，第四章介绍数据解调和调制发送电路，第五章介 绍时钟提取电路和复位电路，第六章是模拟前端电路验证，第七章对所作工作进行总 结及其展望，最后是致谢和参考文献。 华中科技大学硕士学位论文 2电感耦合式射频识别系统模型 2 1 电感耦合式r f i d 系统工作原理 一个基本的r f i d 系统由阅读器、标签芯片、天线这三部分组成【6 】，其中标签芯片 是一个数据载体，包含有一定容量的存储单元，天线起能量和数据传输功能。本论文 所论述的射频识别系统对应着1 3 5 6 m h z 频段，在这个频段内，标签和阅读器通讯时， 标签处于阅读器的近场区。阅读器和标签之间的能量传输和信息交流完全依靠电磁感 应效应进行。r f i d 系统工作原理如图2 1 所示。 磁场h i i i i j 图2 1r f i d 系统工作原理图 阅读器工作时，阅读器天线输出一定功率的电磁波，标签芯片利用与之相连的线 圈感应磁场能量，再利用天线谐振电路提升感应到的交流电压作为标签芯片的供电电 源。阅读器向标签芯片发送数据时，采用a s k 调制方式调制阅读器发送出去的载波 信号，这样导致了标签线圈感应到的交流电压信号也发生相应的变化，再经过标签芯 片内部的a s k 解调电路还原阅读器的基带信号。而标签芯片向阅读器发送数据是利 用副载波负载调制原理实现的，标签芯片提取阅读器发送过来的载波信号，并产生各 种分频信号，利用产生的副载波信号调制标签线圈感应到的交流电压信号，进而引起 阅读器天线上的电压信号波动，阅读器接受到这个经过标签芯片调制后的信号，再经 过解调电路就可还原出原始数据信号( 详细介绍可参考第四章的调制电路部分) 。这样 6 华中科技大学硕士学位论文 阅读器和标签芯片之间通过各自的天线完成了能量的传输和数据的交换。 2 2i s 0 1 5 6 9 3 标准部分简介 本论文所设计的射频识别标签芯片遵循i s 0 1 5 6 9 3 标准，这是个非接触疏耦合卡 标准，最大通讯距离可达1 5 m 。主要内容如下：阅读器和标签芯片之间的通讯采用阅 读器开始对话方式 7 1 ，操作顺序如下，阅读器发出的磁场激活标签芯片，随后标签芯片 进入准备状态以等待阅读器发送命令，阅读器向标签芯片发送命令，标签芯片响应阅 读器发送的命令。 阅读器所发送的高频载波频率f o 为1 3 5 6 m h z a ：7 k h z ，阅读器发送的磁场强度在 1 5 0 m a m - 5 a m 之间( 有效值) 。阅读器向标签芯片的数据通信采用a s k 调制方式实 现，调制方式有1 0 和1 0 0 两种，1 0 a s k 信号的调制系数在l o 3 0 之间； 1 0 0 a s k 信号的调制系数就是1 0 0 ，阅读器在发送给标签芯片的命令中会告知采用 何种调制方式传输。为了满足能量传输要求，由阅读器向标签芯片发送数据采用p p m 编码( 脉冲位置编码方式) ，具体编码方式有4 选l 和2 5 6 选1 两种，这两种编码方式都 有9 4 4 9 s 的p a u s e 时间。对于2 5 6 选1 编码方式，传输一个字节所用时间为4 8 3 3 m s ，相 应的数据传输率是1 6 5 k b i t s s ( f d 8 1 9 2 ) 。对于4 选1 编码方式，传输2 位数据时间为 7 5 5 2 9 s ，数据传送率为2 6 4 8 k b i t s s ( f d 5 1 2 ) ，传送过程中都是采用低字节先传输方法。 阅读器在发送出去的命令中会告知标签芯片采用哪种编码方式。标签芯片向阅读器传 送数据采用副载波负载调制方式实现，有单副载波和双副载波两种负载调制发射方 式，当使用一个副载波时，副载波频率为彰3 2 ( 4 2 3 7 5 k h z ) ；当使用两个副载波时， 其中一个副载波频率l 为f d 3 2 ( 4 2 3 7 5 h t - i z ) ，另外一个副载波频率2 为f j 2 8 ( 4 8 4 2 8 k h z ) 。如果使用两个副载波调制方式，应该使频率切换时的相位连续。对于这 两种副载波负载调制方式，传输速度有高低两种，具体数值可参考表2 1 。 表2 1副载波负载调制的数据传输速率 数据传输速率单副载波双副载波 低速 6 6 2 k b i t s s ( f d 2 0 4 8 )6 6 7 k b i t s s ( f d 2 0 3 2 ) 高速 2 6 4 8 k b t i s s ( f e 512 )2 6 6 9 k b i t s s ( f o 5 0 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 阅读器在给标签芯片命令中会告知标签芯片采用单个副载波还是双副载波工作。 2 3 模拟前端整体方案设计 整个标签由标签天线电路、模拟前端电路、数字电路和存储单元组成【8 1 。其中模 拟前端电路和标签天线电路协调工作以完成标签芯片工作能量的获取，a s k 信号的解 调和副载波负载调制发射功能。此外模拟前端还要为标签芯片内部产生数字电路工作 电压、模拟电路工作电压、复位信号、时钟信号。所以模拟前端采用图2 2 中点化线 框内所示的电路结构【9 1 。 a n a l o 卫矗o n t - e n d 图2 2 标签芯片架构图 其中图2 2 中的a n t e n n a l t 是标签外置线圈，电容c 是线圈谐振电容，整个标签 芯片仅需要两个p a d ( 焊盘) ，分别与标签线圈两端相连，点化线框内的r e c t 是整流 滤波电路，以便提供一个初级整流电压，v o l t a g eg e n e r a t o r 是电压产生器，内部包含有 数字电源v d d 产生电路和模拟电源v c c 产生电路，r e s e t 是复位电路以检测v d d 和v c c 是否为所需要的数值，e s dp r o t e c t i o nc i r c u i t s 是静电保护和限压电路，以防 止芯片内部电源过高而烧毁芯片。a s k f s km o d 是副载波负载调制电路。当标签芯 片是单副载波发送时，处于a s k 调制发射工作模式，当标签芯片是双副载波发送时， 处于f s k 和a s k 协调工作模式中。c l o c k 模块是时钟恢复电路以便从载波信号中 工1d鲁_目 华中科技大学硕士学位论文 提取时钟信号，d e m o d 是解调电路模块，内部包含1 0 解调电路和1 0 0 解调电路。 点化线框外有数字控制器d i g i t a lc o n t r o l l e r 和e e p r o m 两大模块，这个两部 分的供电都由模拟前端提供，此外模拟前端和数字控制器部分有数据交换。 2 4 射频识别系统模型 整个标签可以采用图2 3 所示的等效电路框图。其中虚线部分是标签芯片，l 代 表标签线圈的电感，c 代表标签线圈的谐振电容，i 岫代表标签天线电路电能损耗等效 并联电阻，v c h i p 是标签线圈感应到的交流电压( 峰值) ，d 代表标签芯片中的整流模 块，c s u p p l y 代表标签芯片中的储能电容，a c t i v ec i r c u i t 代表标签芯片中的有源电路， 包括模拟前端、数字控制器模块、e e p r o m 模块。 2 4 1 磁场能量获取 cl i p u n i h ：上乏 i c h i p -a c t i v e 一 c s u p p y c i r c u i t t 亍、t i 图2 - 3 标签等效电路框图 由于标签芯片和阅读器之间的通讯都是依赖于标签线圈感应电压的波动，因此讨 论射频识别系统模型的重点就是标签线圈感应能量的获取。如果阅读器天线为匝的 矩形线圈，长度和宽度分别为a 和b ，阅读器天线中的电流为。，阅读器和标签同轴放 置( 此时标签线圈能感应到最大电压) ，两个线圈的垂直距离为d r a g 。则阅读器在标签 位置产生的磁场【1 0 】： = 丽2 丽n t x i = a b 万+ 再) ( 2 - - ) 2 刁霉i 霄砭了+ 砸百 u 1 如果阅读器天线为n 匝的圆形线圈，线圈半径为a ，则阅读器在标签位置产生的 9 华中科技大学硕士学位论文 磁场【1 1 】 岭尚 口2 ， 下面讨论标签线圈电感的计算，线圈几何框图如图2 4 所示，设标签线圈是匝 的矩形线圈，w 是每匝线圈宽度，g 是相邻线圈的间隙宽度，a 。是标签线圈的最大长 度，b o 是标签线圈的最大宽度，a a v g 是标签线圈的平均长度，是标签线圈的平均 宽度，f 是标签线圈的厚度。 则标签线圈电感【1 1 】 gw 图2 4 标签线圈几何图 三：兰! 生( x 1 + x 2 一x 3 + x 4 ) x n p 万 d ：丝塑 万 a m , g = a o n ( g + w ) = 6 0 一n ( g + w ) 小讪一 肛讪 一 x 3 = 2 ( 口嘴+ 一口毛+ 唆) x 4 ：a a v g + b a , g ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 1 0 华中科技大学硕士学位论文 其中式( 2 3 ) 中的p 是与工艺有关的参数，是一个经验参数。具体数值参见表2 - 2 所示。 表2 2经验数值p 表 工艺经验数值 线圈绕制 1 8 1 9 蚀刻1 7 5 1 8 5 印刷 1 7 1 8 标签线圈的等效面积为 = 6 嘴 ( 2 1 1 ) 根据电磁感应原理，标签线圈感应到的电压【1 2 】 v 。h i p = _ n d 矿w 一掣：- 2 删c o s a ( 2 1 2 ) 其中式( 2 1 2 ) 中的口是阅读器线圈和标签线圈的轴向夹角( 两个线圈平行放置时 为o ) ，q 是整个标签的品质因素， 么是标签线圈的等效面积。 为了提升标签天线感应的电压，标签天线部分是一个并联谐振电路，谐振频率是 载波频率( 在i s 0 1 5 6 9 3 标准中是1 3 5 6 m h z ) 。图2 - 5 为简单的并联谐振电路。 l 图2 5三、c 并联谐振电路 这个电路的品质因数为 q ：生鱼丝盟( 2 - 1 3 )。 2 c o l 当表达式( 2 1 3 ) 中的角频率国= ；时，该电路的品质因数达到最大，此时三、 2 x 4 l c c 并联电路的电压提升作用最显著，即可以实现让标签芯片获得最大的感应电压。 对于标签而言，由于与、c 并联的是有源电路，该部分的等效输入阻抗随着感 应到的电压升高而不断降低，这也是为了保证高场强下标签天线谐振电容两端电压不 华中科技大学硕士学位论文 会太高。考虑到载波频率的频率偏移，线圈感应电压数值应该被修正为【1 0 1 肾f一2xfqnabt口g 4 ) q=上b=2斌pcf(2-15) 其中式( 2 - 1 5 ) q b 的f 为电路工作频率，为了让标签芯片能完全正确解调出阅读器 签的最大品质因数，对于4 选1 编码形式，数据率为2 。则 哙豳观5 6 q 1 回 显然这是理论上的最大值，实际上品质因数还要考虑其他因素【1 3 1 。 这两部分的品质因数分别为q o 和线驴忆驴) ，天线电路部分的品质因数随着标签天线 而变化；与之相对应的能量损失分别为只和匕由。整个标签的品质因数为 华中科技大学硕士学位论文 q = 2 n f 兰p ( 2 - 1 7 ) 其中式( 2 1 7 ) 中的e 是整个标签储存的能量，尸是整个标签的功耗。 e ：c 吃彰_ c 嗍唧( 2 - 1 8 ) 其中式( 2 1 8 ) 中的吃驴就是标签线圈谐振电容两端电压的峰值，岬是其有效值。 联立式( 2 - 1 7 ) 、式( 2 - 18 ) 可得 三兰竺争= 昂+ 尸= 三兰竺茎芋望竺+ 三孑警( 2 ，9 ) 所以整个标签的品质因数为 q ：万q o 了x q 跏p ( 2 - 2 0 ) 瓯+ q c h i o 根据标签线圈谐振电容上的电压变化可以将整个标签的品质因数分为四个区域， 下面分别介绍。高频整流电路有一个阈值电压( 最小输入电压) ，记为，此外整个芯 片有一个最小激活电压，此时对应着标签被激活所需的最小磁场强度日曲。 ( 1 ) 当标签线圈谐振电容两端电压啦s 时，标签芯片无法工作，可以被看作一个 无限大的负载。此时整个标签的品质因数q ( 妒) = 蜴，芯片部分的功耗圪驴( 圪驷) = 0 ， - 。+ d 1 - - 门即丌h j 日i - 口i 质因数( 吃驷) - 0 0 。 此时标签线圈感应到的电压 ( = 南= 堡o o ( 2 2 1 ) ( 2 ) 当标签线圈谐振电容两端电压圪驴满足 驷 k h 疗时，这时限压电路开始起作用， 这就明显的增加了芯片电流，且这部分电流没有被芯片所利用完全浪费掉了，如果限 压电路是齐纳二极管，限压作用则非常明显，标签线圈谐振电容两端电压被完全限制 了，通常标签芯片中的限压电路不需要特别显著，还允许标签线圈谐振电容两端电压 有所上升，当标签线圈谐振电容两端电压达到n 时的品质因数为q ( 口) 。随着标 签线圈感应电压的继续增加，品质因数也随着下降。现在可以粗略假设此后的谐振电 容两端电压和标签品质因数的乘积为定值，则有 1 4 华中科技大学硕士学位论文 眠沪鳖等型( 2 - 2 8 ) 所以 嘣= 鬻 矿2 眠以彬云苛 q 3 0 ) 在这个电压范围内，标签线圈所接受的a s k 信号调制深度随着呢加增加而下降。 现在以一个实例进行说明标签品质因数和芯片功耗随感应电压的变化情况。有一个标 签芯片工作于载波频率1 3 5 6 m h z ，天线电路品质因数q o 为2 6 ， 圪由n l i n = 1 s m w ，= 1 4 v ，= 3 v ( r m s ) ，巧i i n n = 4 8 v ( e m s ) ，k 1 = 2 5 ，k 2 = 1 5 。 利用m a t l a b 仿真可得图2 - 6 和图2 7 。 由图2 - 6 和图2 - 7 的曲线可以形象地说明上述的分析，当谐振电容两端电压加不 足以启动整流电路时，标签芯片基本没有功率消耗，这时候标签芯片可以被认为一个 很大阻值的负载，整个标签的品质因数就是标签天线电路部分的品质因数q o ，当谐振 电容两端电压曲能启动标签芯片整流器时，而又无法让标签芯片正常工作，标签芯 t a gq u a l i t yf a c t o rv sv c h i p 图2 - 6 标签品质因数与谐振电容两端电压吃垆的关系图 1 5 华中科技大学硕士学位论文 d i s s i p a t i o nv sv c h i p 图2 7 标签消耗功率与谐振电容两端电压吃由之间的关系图 片作为天线电路负载被接入电路，标签品质因数迅速下降，标签芯片消耗功率也开始 增加；当谐振电容两端电压国能保证标签芯片正常工作而又不足以让标签芯片中的 限压电路工作，此时标签芯片可以被当作一个线性电阻，这时候标签品质因数基本不 变，标签芯片功率消耗也可以被近似视为线性增加；当标签谐振电容两端电压吃m 足 以让标签芯片中的限压电路工作时，由于限压电路的电流泄放作用，这就相当于在感 应线圈两端增加了低阻通路，且随着谐振电容两端电压的增加这个通路的电阻会降 低，这就导致整个标签的品质因数下降，整个标签芯片的功耗也增加明显。 2 4 3 阅读器天线设计 阅读器天线的作用就是产生一个能量供给磁场和接受标签发送过来的信息，由于 标签通常工作在阅读器的近磁场区，即阅读器和标签的距离d m 云2 丢，对于 1 3 5 6 m h z 这个频率，近磁场与远磁场区的临界点是3 5 m 。一般来说为了让标签芯片 能很好工作，阅读器天线所产生的磁场要均匀些，为此阅读器的尺寸要做的大些。为 了更清楚的说明这点，下面详细说明。对于半径为r ，匝数为匝的圆形线圈，距离 天线z 处产生的磁场 1 6 ii)co；m苞一西协一可ciilo西卜 华中科技大学硕士学位论文 耻羔2 ( r x q - 3 1 ) 2 + 2 1 办 其中式( 2 3 1 ) 中的厶为阅读器线圈中的电流。现在假设呱= 2 ，对于r = 5 0 c m 和 r = 8 0 c m 这两种情况，用m a t l a b 仿真得到图2 8 。 t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o no fm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h d i s t a n c ex m ) 图2 8不同尺寸的圆形阅读器天线产生的磁场随距离的关系图 由图2 8 的仿真结果可知，对于r = 5 0 c m 和r = 8 0 c m 两种尺寸的阅读器天线，磁 场强度日在空间分布均匀性是不同的，尺寸大的圆形天线磁场分布均匀性较尺寸小的 好的多，这也是我们所需要的。对于矩形天线，也可以得到同样的结论。 对于确定的工作距离r ，阅读器天线的安培匝数积 n i t , , = 掣 ( 2 - 3 2 ) 为了让帆取得最小值，对式( 2 - 3 2 ) 取微分并令其等于零，可得 r = 厨 ( 2 3 3 ) 由于标签工作距离是不断变化的，为此在设计时，式( 2 3 3 ) 中的x 可取标签经常 使用时的工作距离。为了有效的利用1 3 5 6 m h z 这个频带，一些国家和地区对这个频 段的辐射进行限制，例如西欧的c p e t 规n ( 1 0 m 规则) ，美国的f c c 规贝1 ( 3 0 m 规则) 和日本制定的规则。下面以西欧的c e p t 规则为例进行说明，此规则规定阅读器输出 功率在1 0 m 处必须降到4 2 d b g a m 1 4 】。 一e v ) z ii一砑cm=-岍冒一。嚣。墨mca田e 华中科技大学硕士学位论文 2 4 4 最小工作磁场日l i l i n 标签能够被激活工作所需的最小磁场【1 5 】 h m i n = c o j u o a n ( 2 - 3 4 ) 式( 2 3 4 ) 中相关说明如下： “：标签芯片能够被激活工作所需的最低峰值电压； 国：阅读器的工作频率； l ，：标签线圈的电感数值； r ，：标签芯片天线电路的负载电阻； 尼：标签线圈的输入电阻； ： 标签线圈的谐振频率； 么： 标签线圈的横截面积； ：标签线圈的匝数； 风： 标签线圈材料的磁导率。 标签线圈的最小场强与阅读器工作频率跟标签线圈谐振频率的偏差有很大关系， 为了更详细地说明这个问题，以一个实例进行说明，取= 4 ，么- o 0 7 7 0 0 4 7 m 2 u = 4 5 v , l 2 = 3 5 1 t h ，r 2 ：2q ，r l = l kf 2 ，c o o = 2 n x1 3 5 6 e 6 ，利用m a t l a b 进行仿真得 到图2 - 9 所示的仿真结果。 华中科技大学硕士学位论文 e 乏 图2 - 9 h 曲与阅读器载波频率厂之间的关系曲线 由图2 - 9 仿真结果可知，巩。与标签线圈谐振频率厶偏离阅读器载波频率程度 有较大关系，随着标签线圈谐振频率偏离程度的增加，日曲有明显的增加，为此要求标 签线圈的谐振频率五要尽可能的接近阅读器载波频率厂，这就要求测试时标签线圈谐 振电容能够进行调整，以获得最大电压提升效果。 2 4 5 实际仿真电路结构及激励源范围确定 c 一v v v 器m 一铲： i c 1 叱 l 1o i 、- c = 2 1 3 8 p 童l _ 黝n ； ii 图2 1 0实际仿真所用电路结构图 图2 1 0 为实际仿真所用电路结构图。其中v 3 代表阅读器发送端口输出电压信号， 1 9 工r_acoi_西刁一o#o茹oc功阿e 华中科技大学硕士学位论文 r 2 代表5 0 q 连接线特征阻抗，l 1 代表阅读器天线，l o 代表校准线圈，根据i s 0 1 0 3 7 3 7 标准【1 6 1 ，电感l 1 的典型自感为5 0 0 n h ，内阻为1 4 q ，电感l 0 的自感为2 0 0 n h ，内 阻为2 5 0 m q ，耦合系数k