（微电子学与固体电子学专业论文）无源uhf+rfid应答器芯片模拟前端设计.pdf

中文摘要 随着自动识别技术的发展以及其应用范围的不断扩大，要求将整个集成电路 模块或整个系统集成到单个芯片，形成片上系统( s o c ) 以增强芯片功能和降低系 统成本。利用超高频( u h f ) 电磁波进行工作并全集成的无源式射频识另u ( r f i d ) 应答器的研究和设计工作成为近年国内外一个重要的研究热点；它的性能和所用 工艺直接影响到整个射频识别系统的应用范围和成本。因此研究和提高应答器射 频前端电路的性能也就有着非常关键和重要的意义。 本文提出了一种符合i s o i e c1 8 0 0 0 6 b 标准的高性能无源u h fr f i d 电子 标签模拟前端设计方案，该方案包括整流器、稳压器、幅度键控( a s k ) 解调器、 本地振荡器、上电复位电路、匹配网络和反向发射电路以及偏置电路等等几个主 要模块。由于高频无源应答器需要长距离工作，因而所有模块都采用了低功耗设 计手段，以最大程度提高工作距离；不仅如此，本文还创造性的提出了将天线设 计同匹配网络相结合的思路，大大降低了芯片制造成本和设计难度；同时本文还 得到了芯片的非线性输入阻抗的求解方法，解决了无源应答器芯片设计中的一个 最大技术障碍。最后整个设计采用了c h a r t e r e d0 3 5i ime e p r o m 工艺进行流片， 测试结果表明芯片在9 1 5 m h z 的频率下，性能良好，达到设计指标，整个模拟部 分正常工作电流低于1 0 u a ，读取距离大于2 米，芯片面积3 0 0 u m x7 2 0 u r n 。 关键词：射频识别，超高频无源应答器，模拟前端，低功耗设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na n dt h ee n l a r g e m e n to fi t s a p p l i c a t i o ns c o p e ，i ti sr e q u e s t e dt h a tw h o l ec i r c u i tb l o c k so rw h o l es y s t e mi s i n t e g r a t e di n t os i n g l ec h i pa st h es y s t e mo nc h i p ( s o c ) t oi n c r e a s ec h i pf u n c t i o n sa n d r e d u c eo v e r a l lc o s to fw h o l es y s t e m t h es t u d ya n dd e s i g nf o rf u l l yi n t e g r a t e dp a s s i v e u h fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t r a n s p o n d e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c ti nr e c e n ty e a r s ；a n di t sp e r f o r m a n c ea n dm a n u f a c t u r ew i l li m p o s e d i r e c ta n dg r e a te f f e c t so nt h ea p p l i c a t i o ns c o p ea n do v e r a l lc o s to fw h o l er f i d s y s t e m t h e r e f o r e ，t h es t u d yf o ri m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft r a n s p o n d e rr ff r o n t - e n d h a sb e e nv e r yc r u c i a la n ds i g n i f i c a n t a h i g hp e r f o r m a n c ep a s s i v eu h fr f i dt r a n s p o n d e ra n a l o gf r o n t e n dw h i c hi s c o m p a t i b l ew i t hi s o i e c18 0 0 0 6 bs t a n d a r di sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ea n a l o g f r o n t - e n di sc o m p o s eo fr e c t i f i e r , r e g u l a t o r , a s kd e m o d u l a t o r , l o c a lo s c i l l a t o r , p o r ， i m p e d a n c em a t c h i n gn e t w o r k s ，b a c ks c a t t e ra n db i a s i n gc i r c u i t l o wp o w e rd e s i g n t e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e df o rt h el o n gw o r kr a n g en e e do fp a s s i v eu h ft r a n s p o n d e r f u r t h e r m o r e ，an o v e li d e ao fc o m b i n i n gt h ea n t e n n ad e s i g nw i t hi m p e d a n c em a t c h i n g n e t w o r k si sp r e s e n t e dw h i c hc a nl o w e rt h ec o s to ft h ec h i ps i g n i f i c a n t l y , a n dt h e n o n l i n e a ri n p u ti m p e d a n c ew h i c hi st h eb i g g e s tc h a l l e n g eo fu h ft r a n s p o n d e rd e s i g n i ss o l v e di nt h i sp a p e r f i n a l l yt h ew h o l ed e s i g ni sf a b r i c a t e du s i n gc h a r t e r e d0 3 5 1 a m t w o - p o l yf o u r - m e t a lc m o sp r o c e s sw i t hs c h o t t k yd i o d e sa n de e p r o ms u p p o r t e d t h et e s t i n gr e s u l ti n d i c a t e dt h ec h i pw o r k sw e l lw i t h915 m h zi n p u ts i g n a la n dt h e t o t a lc u r r e n tc o n s u m p t i o no fa n a l o gf r o n t - e n di sl e s st h a n10 u aw h i c hm e a n sm o r e t h a n2m e t e r sr e a d i n gr a n g e t h ec o r es i z ei s3 0 0 u m x 7 2 0 u m k e yw o r d s ：r f i d ，u h ft r a n s p o n d e r a n a l o gf r o n t - e n d ，l o wp o w e rd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：击予瑶人签字日期：唧年。月) 2 1 b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豸译晃人 导师签名： 签字日期：似吖年矿f 月珥日 天津大学硕士学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 1 1r f i d 技术简介 第一章概述 i 疆d 是射频识别技术的英文( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 的缩写，射频识 别技术是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利 用射频信号通过空问耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递并通过所传 递的信息达到识别目的的技术。 r f i d 系统通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需 人工干预。作为条形码的无线版本，r f i d 技术具有条形码所不具备的防水、防 磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更 大、存储信息更改自如等优点，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，在 生产、零售、物流、交通等各个行业等各个行业有着广阔的应用前景。 1 2 发展历史 尽管r f i d 技术在最近几年才受到全世界范围的关注，但纵观它的发展史， 却可以回溯到上个世纪四十年代。1 9 4 8 年哈里斯托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 发 表的”利用反射功率的通信”奠定了射频识别技术的理论基础。在过去的半个多世 纪中，射频识别技术的发展经历了若干个阶段，按照十年一时期可划分如下： 1 9 4 1 1 9 5 0 年射频识别技术在雷达的改进和应用基础上产生，1 9 8 4 年哈 里斯托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 发表的“利用反射功率的通信 奠定了射频识 别技术的理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年射频识别技术的早期探索阶段，主要处于实验室实验研究方 面。 1 9 6 1 1 9 7 0 年射频识别技术的理论得到了发展，开始进行一些基本应用实 验。 1 9 7 1 1 9 8 0 年射频识别技术与产品研发处于一个大发展的时期，各种射频 识别技术测试得到加速，并出现了些最早的射频识别应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模的应用 开始出现。 第一章概论 1 9 9 1 2 0 0 0 年射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得 到了广泛应用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。 从2 0 0 1 年至今，射频识别标准化问题日趋为人们所重视。射频识别产品种 类更加丰富，成本不断降低，规模应用行业不断扩大。 1 3 射频识别技术的特点和应用 射频识别技术具有传统识别技术所没有的优点，例如射频识别系统不局限于 视线、识别距离比光学系统远、射频识别卡具有读写能力、可携带大量数据、同 时具有难以伪造和智能性较高等优点。其主要的缺点是射频识别系统相对成本较 高。具体性能比较见表1 1 。 由于r f i d 系统的诸多优点，它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，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动 收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜 牧管理、车辆防盗等。随着成本的下降和标准化的实现，r f i d 技术的全面推广 和普遍应用将是不可逆转的趁势。 1 4r f i d 的分类和标准 1 4 1r f i d 系统的分类 r f i d 技术的分类方式常见的有下面四种： 一、根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频( 3 0 k h z - - ，3 0 0 k h z ) 、中频 ( 3 m h z - 3 0 m h z ) 和高频系统( 3 0 0 m h z - 3 g h z ) 。r f i d 系统的常见工作频率 有低频12 5 k h z 、13 4 2 k h z ，中频13 5 6 m h z ，高频8 6 0 m h z - 9 3 0 m h z 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 等。低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电 子标签外形多样，阅读天线方向性不强等。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、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送大量数据 的应用系统；高频系统的特点是电子标签及阅读器成本均较高，标签内保存的数 据量较大，阅读距离较远( 可达十几米) ，适应物体高速运动，性能好。阅读天 线及电子标签天线均有较强的方向性，但其天线宽波束方向较窄且价格较高，主 要用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费 等系统中应用。 二、根据电子标签的不同可分为可读写卡( r w ) 、一次写入多次读出卡 2 天津大学硕士学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 ( w o i 潮) 和只读卡( r o ) 。r w 卡一般比w o r m 卡和r o 卡贵得多，如电话 卡、信用卡等；w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变， 比r w 卡要便宜；r o 卡存有一个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。 表1 1自动识别技术属性比较表 系统参数条形码光学符号磁条卡l c 卡语音识别射频识别 纸、塑料薄 信息载体膜、金属表物质表面磁性物质 e e p r o me e p r o m 面 信息量小小较小大大大 读写性能 rr删咖ri v w c c d 或激光 读取方式光电转换电磁转换电擦写机器识读无线通信 束扫描 人工识读 受约束简单不可不可不可不可 性 保密性无无一般好好好 智能化无无无有有 环境适应 不好不好一般一般很好 性 光遮盖全部失效全部失效没有影响 方向位置 很小很小单向单向没有影响 影响 识别速度低低低低很低很快 通信速度低低快快低很快 读取距离 近很近接触 接触 很近远 使用寿命一次性较短 短长 很长 国际标准有 无有有 无有 成本最低一般低较高较高较高 多标签同 不能不能 不能 不能不能能 时识别 三、根据电子标签的能量提供方式又可分为有源、无源和半无源三种。有源 电子标签使用卡内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限 ( 3 1 0 年) ，且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到阅读器( 读出装 第一章概论 置) 发出的微波信号后，利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、 重量轻、体积小、寿命长、较便宜等特点。半无源是指射频标签内的电池供电仅 对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，本身 耗电很少的标签电路。 1 4 2r f i d 的现行标准 目前常用的r f i d 国际标准主要有用于对动物识别的i s o1 1 7 8 4 和i s o 1 1 7 8 5 ，用于非接触智能卡的i s o1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e dc a r d s ) 、i s o1 5 6 9 3 ( v i c i n i t y c a r d s ) 、i s o1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t yc a r d s ) ，用于集装箱识别的i s o1 0 3 7 4 以及本文所用 到的用于远距离识别的i s o1 8 0 0 0 系列标准等。目前国际上制定r i f d 标准的组 织比较著名的有三个：i s o ，以美国为首的e p cg l o b a l 以及日本的u b i q u i t o u si d c e n t e r ，而这三个组织对r f i d 技术应用规范都有各自的目标与发展规划。下面 对常见的几个标准加以简介： 1 、l s o1 1 7 8 4 和i s o1 1 7 8 5 技术标准： i s o11 7 8 4 和i s ol1 7 8 5 分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准 中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种 形式，如玻璃管状、卫标或项圈等。代码结构为6 4 位，其中的2 7 至6 4 位可由 各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作 频率为1 3 4 2 k h z ，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双 相代码表示，应答器件采用f s k 调制，n r z 编码。由于存在较长的应答器充电 时间和工作频率的限制，通信速率较低。 2 、i s o1 0 5 3 6 、i s o1 5 6 9 3 和i s o1 4 4 4 3 技术标准： i s o1 0 5 3 6 标准发展于1 9 9 2 年1 9 9 5 年间，由于这种卡的成本高，与接触式 i c 卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。i s o1 4 4 4 3 和i s o1 5 6 9 3 标 准在1 9 9 5 年开始操作，其完成则是在2 0 0 0 年之后，二者皆以1 3 5 6 m h z 交变信 号为载波频率。i s o1 5 6 9 3 读写距离较远，而i s o1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用 较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是i s o1 4 4 4 3t y p eb 协议。i s o 1 4 4 4 3 定义了n 伊ea 、t y p eb 两种类型协议，通信速率为1 0 6 k b i 佻，它们的不 同主要在于载波的调制深度和位的编码方式。t y p ea 采用开关键控( o n - o f f k e y i n g ) 的m a n c h e s t e r 编码，t y p eb 采用n r z l 的b p s k 编码。t y p eb 与t y p e a 相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力强的优点。r f i d 的核心 是防冲撞技术，这也是和接触式i c 卡的主要区别。i s o1 4 4 4 3 3 规定了t y p ea 和t y p eb 的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检测 协议，而t y p eb 通信系列命令序列完成防冲撞。l s o1 5 6 9 3 采用轮寻机制、分 4 天津大学硕士学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正 确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。 3 、i s o1 8 0 0 0 技术标准： i s o1 8 0 0 0 是一系列标准，此标准是目前较新的标准，也是目前最受追捧的 标准之一。原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。i s o 1 8 0 0 0 6 基本上是整合了一些现有r f i d 厂商的减速器规格和e a n - u c c 所提出 的标签架构要求而订出的规范。i s o1 8 0 0 0 只规定了空气接口协议，对数据内容 和数据结构无限制，因此广泛应用与各个领域 4 、e p c 系列标准 e p cg l o b a l 是由u c c 和e a n 联合发起的非盈利性机构，全球最大的零售商 沃尔玛连锁集团、英国t e s c o 等1 0 0 多家美国和欧洲的流通企业都是e p c 的成 员，同时由美国i b m 公司、微软、a u t o i d l a b 等进行技术研究支持。e p c 标准 分为一代和二代两种，用于规范全球商品货品编码，目前最新的e p cg e n 2 标 准已经归为i s o1 8 0 0 0 6t y p ec ，这为u h f 频段全球统一标准奠定了基础。 1 5 研究意义 如前所述，非接触智能卡的市场前景不可忽视。在当今生活中的各个方面都 发挥了巨大的作用。在我国，1 9 9 6 年以来，有8 0 多个城市总共发行了两千多万 张非接触智能卡。预计到2 0 0 7 年，我国的非接触智能卡的销量有望提升5 0 ， 达到三千万张。但我国发行的非接触智能卡，基本都是引进国外成品的智能卡芯 片，通过封装加工形成最终的非接触智能卡。因为缺乏关键技术，使得我国生产 非接触智能卡的厂商处于非常被动的处境，只能进行较低级的加工。虽然我国非 接触智能卡的销量不断的突破，但利润较低。因此，掌握制造非接触智能卡芯片 技术变得相当重要。在“十一五期间，根据国家高新技术研究发展计划( “8 6 3 ” 计划) 安排，我国将推动“射频识别( r f i d ) 技术与应用 领域全力起飞，科 技部将拨款1 2 8 亿元用于支持其研究应用，力争实现我国r f i d 领域技术突破与 自主创新，这无疑对我国的r f i d 产业化进程的加速推进起到重大的作用。此次 项目的重点是超高频段( u h f ) r f i d 系统及芯片研究，和本文不谋而合，可以 预见，在未来的五年甚至更远，r f i d 都将给我国带来深远的影响，如何加速r f i d 在中国的产业化进程是我们的当务之急。 在同外，r f i d 技术，特别是高频段的r f i d 系统已经经历了十年以上的快速 发展，目前已经建立了一套比较完整和成熟的产业链，很多公司都致力于射频识 别的研发与生产。尤其以美国和日本为主，主要生产厂商有p h i l i p s ，s i e m e n s ， 第一章概论 g & d ，s t , m o t o r o l a ，a t m e l 等。其产品涉及到了各种频段( 主要有1 3 5 k h z ， 1 3 5 6 m h z 9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z 和5 8 g h z ) ，有源和无源，可应用于各个领域。无 论是对于片上接收机制的研究，还是对防冲撞机制、安全机制等的设计已经成型。 国外对于非接触智能卡芯片的设计已经向更低成本和更高性能两个方向进发。而 在我国，大多数r f i d 产品还需要进口，特别是u h f 频段的r f i d 产品，能够量 产的自主知识产权产品几乎没有，这也是国家大力投入这一频段产品的原因之 1 6 本文工作 1 6 1 研究内容 本文的主要研究内容为工作与9 1 5 m h z 频段下的射频无源识别应答器芯片的 模拟前端电路，简称a f e ( a n a l o gf r o n t - e n d ) 。该部分由整流器、电压调节器、 解调器、本地振荡器、调制器以及上电复位电路等等一系列电路模块构成。本文 完成了从电路仿真到版图设计验证，再到流片结果，测试一系列工作，完成了整 个模拟集成电路设计的全流程。 1 6 2 论文的组织结构 本论文的具体内容安排如下： 第一章，概述。主要对r f i d 的概念和意义进行了阐述，并着重分析了超高 频段射频识别系统的优势所在。 第二章，射频识别系统的基本工作原理。详细说明r f i d 系统的组成和工作 原理，并对应答器芯片的工作原理加以阐述。 第三章，应答器的射频前端设计。这是本文的重点，整体电路分析，各个模 块的电路结构、设计指标和设计思路在本章都会有所体现。同时会给出相应的仿 真数据和结果。 第四章，版图设计与测试。根据c h a r t e r e d0 3 5i im e e p r o mc m o s 工艺规 则设计针对上述应答器射频前端电路的版图。并提供流片之后的芯片测试结果。 第五章，总结和展望。对整个论文工作进行系统的总结，并对下一步工作的 开展提出自己的看法。 6 天津大学硕_ 。学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 2 1 射频识别系统的组成 第二章r f i d 的基本工作原理 套完整的射频识别系统一般由应答器( t r a n s p o n d e r ) 、阅读器( r e a d e r ) 和数据 处理系统控制三部分构成。应箐器是放置在被飒别物体h ，用于承载按预先约定 好方式存储的电子数据的电路系统。阅读器是在一定的范围内可咀与应答器进行 数据通讯并完成读写功能的装置一般包括射频模块、控制模块以及与应菩器连 接的耦台元件。射频模块主要用于通过无线射频自动捕获应答器中的数据；控制 模块主要包括控制器射频模块和与外部输入输出接口。通过串口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 或r s 4 2 2 将射频模块采集到的数据实时送入终端处理系统，实现对物体识别信 息的采集、处理及远程传送等。整个系统如图2 1 所示。 9 h o s t 1 一j 2 1 1 阅读器 图2 - i 射频识剐系统 阅读器亦称为滇写器。是射频识别系统中重要的组成部分，也是结构晟为复杂 实现功能最多的部件。 阅读器作为射频识别系统的重要组成之主要完成以下功能： l 刚读器与鹰符器之间的通信功能： 2 阅读器能够通过载波为无源应答器提供能莆： 3 阅读器与拄制模块之间可以通过标准接几如r s 2 3 2 等进行通信： 4 通过基带部分提供对于协议的相关支持： 第二章r f i d 的基本工作原理 5 能够在读写区内实现多标签的同时识读，具有防冲撞功能； 6 适用于固定和移动的应答器的识读； 7 能够校验读写过程中的错误信息； 对于有源应答器，能够识别电池相关信息，如电量等。 2 1 2 应答器 图2 - 2 典型射频模块发送和接受通道框图 应答器又称为电子标签，是射频识别系统真正的数据载体，电子标签与阅读 器之间通过耦合元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合；在耦合通道内，根据 时序关系，实现能量的传递和数据交换。由于r f i d 系统的广泛应用，适用于不 同场合的应答器也各有不同，下面简单介绍一下应答器的分类。 按工作频率分类： 一般分为低频( l f ) 、高频( h f ) 和超高频( i j l f ) 三类。低频系统一般指 其工作频率小于1 m h z ，典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 等；高频系统一 般指工作频率在i m h z 到1 0 0 m h z 之间，如1 3 5 6 m h z 、2 7 1 2 5 m h z 等等；基于 这两个频段的射频识别系统一般都有相应的国际标准。其基本特点是应答器的成 本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短( 无源情况，典型阅读距离为 1 0 c m ) 、应答器外形多样( 卡状、环状、钮扣状、笔状) 、阅读天线方向性不强 等。超高频系统一般指其工作频率大于4 0 0 m h z ，典型的工作频段有：4 3 3 m h z 、 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。超高频系统在这些频段上也有众多的国际标准 予以支持。超高频系统的基本特点是应答器及阅读器成本均较高、标签内保存的 数据量较大、阅读距离较远( 可达几米至十几米) ，适应物体的高速运动性能好、 外形一般为卡状、阅读天线及应答器天线均有较强的方向性。随着超高频应答器 系统应用范围的扩大和需求量的不断增大，其成本也将随之不断降低。超高频应 答器系统在一h 述特殊需求领域应用的优势也就越来越能体现出来，因而其成为目 8 天津大学硕士学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 前国际上射频识别系统的主流产品和研究热点。本文所研究的即是9 1 5 m h z 频率 下工作的射频识别应答器。 按供电方式分类： 分为有源应答器、无源应答器和半无源应答器。有源应答器内装有电池，一 般具有较远的阅读距离，不足之处是电池的寿命是有限的，一般是3 1 0 年， 在实际应用中会需要不断的维护并且会有一定的失效率，成本也就相对较高，不 过在需求数量小、读写距离要求较高的场合还是个不错的选择。无源应答器内无 电池，当它接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁波能量转化为直流电 供芯片工作，这样可以实现免维护和免失效应用。相比有源系统，无源系统在阅 读距离及适应物体运动速度方面会有一定的限制，但它较为低廉的成本和广泛的 适应性，使其在物流、车辆管理、仓储管理等领域有着广泛的应用，这也是本文 研究的重点。而第三种，半无源应答器则不是很常见，它虽然在卡内装有电池， 但电池的唯一作用是为应答器芯片的存储单元供电，使得存储数据的方式更加自 由，可以考虑使用更容易读写的r a m 存储器而不一定要使用e e p r o m ，不但降 低了系统的设计难度，芯片制造成本也会有一定程度的降低。 按工作方式分类： 分为只读型和读写型两种。其中只读型一般用于货品编码，作用类似条形码， 在出厂前就将编码一次性写入，不再更改。虽然这样使用限制了一定的自由度， 但却可以大大节省成本，对于成本有严格要求的应用场合是十分必要的。另外一 种是读写型，在电子货币，电子支付领域，写入功能是必须存在的，这种卡的制 造成本往往较高，但相应的性能和功能较前种也有很大提高，本文所设计的芯片 就是读写型芯片的模拟前端。 当然，应答器还有很多种不同的分类方法，如按照作用距离远近分为：近耦 合、疏耦合和遥耦合：按照通信能力分为：全双工、半双工和时序系统；按照调 制方式分为：负载调制、次载波调制、a s k 和数字调制等。事实上，上述各种 分类方式之间并不是完全不相干的，相互之间也有相当程度的重叠，根据不同的 使用场合都有不同的界定方法。 2 2u h fr f i d 系统的基本工作原理 2 2 1 超高频段阅读器的工作原理 对于u h f 频段的r f i d 系统，阅读器的性能要求是十分苛刻的。从工作原理 上来讲，阅读器根据系统的需要，通过天线向空间发送一定频率的载波，并根据 第二章r f i d 的基本工作原理 协议规定，在载波上附加调制信号传送到进入有效阅读区域内的电子标签内，电 子标签根据需要，通过反向发射方式向阅读器返回信号，完成通讯。由于超高频 r f i d 系统要求实现远距离读写，而应答器又是无源芯片，只能反射能量，这就 要求读写器具有很高的接受灵敏度，一般要能接收9 0 d b m 的信号。图2 3 为阅 读器的简单框图。 冀之时电路溯制i 毡路 图2 3 阅读器的简单框图 如图2 3 ，接收和发射分两路进行，中间依靠环形器隔离，事实上，环形器 的隔离度十分重要，在一定程度上决定了系统的整体性能。下行信号通过天线接 收进来，通过混频器与本地振荡器进行混频，得到的中频信号经过v g a ( 可控 增益放大器) 和a d c ( 模拟数字转换器) 变换到基带部分可以处理的数字信号， 而基带部分一般是用d s p 实现的。上行信号由基带产生，经由d a c ( 数字模拟 转换器) 得到低频模拟信号，调制到高频信号后再由功率放大器输出至天线，完 成发射。该电路结构同一般的射频收发系统没有本质上的区别，只是在设计指标 上对于动态范围的要求和线性度的要求比较苛刻，因此无论是功耗还是成本都要 高于h f 频段的设备。 2 2 2 超高频段应答器的工作原理 如图2 _ 4 所示，超高频段应答器由如下几个模块组成：偶极子天线，射频前 端电路，数字控制电路和e e p r o m 存储电路。u h f 频段的无源应答器工作原理 如下：首先，应答器通过外置的偶极子天线接收读卡器发送的载波信号，并通过 电源恢复电路将其转换为直流信号，为整个芯片供电；同时片上的解调模块负责 l o 天津大学硕上学位论文尢谭u h fr f i d 电子标箍模拟d 端设 解调出经调制的载波信号所携带的数据信息，并传递给片上的基带部分加以， 理；基带部分连同e e p r o m 部分一起完成数据的读写和控制功能，再由调制一 块咀反向发射的形式将上行信号返回给读忙器完成一次通信。作为本文的研究 点射频漪端电路会在下一章作重点讨论。 馏前 卜| 匪 盖黧 m 。；l 卜； 咽_ ： 图2 4 超高频段应菩器模块图( f i g l l r el ：t a g i cb l o c k d i a 目 a m ) 第三章u h fr f i d 应答器的射频前端设计 第三章u h fr f i d 应答器的射频前端设计 3 1 射频前端电路总体结构 图3 1 射频前端电路的基本组成模块 如图3 - 1 所示，是射频前端电路的基本组成，各个模块的功能如下： 整流器( r e c t i f i e r ) 一为整个芯片供电 电压调节器( r e g u l a t o r ) 一亦称为功率调节器，保证供电电压的稳定，同 时起到限幅的保护作用。 解调器( d e m o d u l a t o r ) 一从下行信号载波中提取数据编码。 时钟产生( c l o c kg e n e r a t i o n ) 一从载波信号中提取时钟( 1 3 5 6 m h z 常用) ， 或者自建振荡器为系统提供时钟( u h f 常用) 。 反向散射( b a c k - - s c a t t e r i n g ) 一通过改变阻抗来调制载波，向阅读器发送 上行信号。 上电复位电路( p o r ) 一产生整个芯片的上电复位信号。 1 2 天津大学硕士学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 参考电压源( v o l t a g er e f e r e n c e ) 一通常采用带隙源。 其他电路一静电保护( e s d ) ；短期存储器( s h o r t - - t e r mm e m o r y ) ，当能 量不足时暂存数据或状态。 上面所述的各个模块都会在后文中逐一进行介绍。需要说明的是，根据协议 的不同，相应的硬件电路也会有所不同，本文是依照i s 0 1 8 0 0 0 6t y p eb 协议所 设计的。 3 2 天线 3 2 1 电磁波和雷达原理 射频识别系统一般是利用空间电磁波的传输特性来进行通讯和工作的。在无 源式射频识别系统中，电磁波不仅作为传递信息和命令的载体，同时也承担着为 应答器提供所需要的工作能量的任务。因此电磁波传播的功率、方向、反射等各 种实际应用中的具体因素都成为设计应答器系统时所必须认真设计和考虑的。 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，并转化成热量，另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。对射频识别系统来说，用电磁波反射进行从标签到阅读器的数 据传输。因为目标的反射性能一般随着频率的上升而增强，所以这些系统主要使 用9 1 5 m h z ( 美国) ，2 4 5 g h z 和更高的频率范围。衡量标签天线的反射性能的 参数主要是雷达散射横截面t l r ( r c s ) 即标签反射的功率尸6 础与功率密度s 的比 值，是目标反射电磁波能力的量度，如图3 2 所示。散射横截面取决于一系列的 参数，例如目标的大小、形状、材料、表面结构以及波长和极化方向。下面我们 来介绍一下标签吸收和反射功率的公式，这些对于计算标签工作范围很重要。 r ea 图3 2 偶极子天线模型 - - - - - - - p e 第三章u h fr f i d 应答器的射频前端设计 由雷达散射横截面的定义得反射功率： 尸埘= s 仃 天线的有效面积：最大接收功率p r 和入射波的功率密度s 的比值： p ，= a 。s ( 3 一1 ) ( 3 2 ) 对于大多数的天线其增益是已知的，经推导，有效面积的计算公式为： 小等 。3 。， 最大接收功率： 只= 与 ( 3 _ 4 ) 如果天线与负载之间是功率匹配的，那么使得天线经a e 从场中接收的能量完全 被吸收。另一方面，如果天线端点开路或短路，天线与负载完全不匹配，那么接 收功率p r 在短接部分完全被反射，并通过天线重新发射回空间。天线把到达a e 的能量完全反射，并充当了散射截面o = a e 的反射面。大多数的情况下，天线在 不匹配的情况下，一般不是短路或开路，所以只有部分功率被反射回阅读器，返 回功率的大小取决的天线的反射横截面o ，则有 s 埘= 毛争 p b a c k = s 础a w ，a w 为阅读器天线的增益 比较上面的公式我们不难得到下面的公式： ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 仃一吐= 等瑚 。3 忉 仃m i n 20 负载与天线匹配 ( 3 8 ) 现在只有球体和平板的物体的。可以计算出来，不规则物体的g 的数值现在还没 有公式来计算，一般只能通过测量和经验估计得出。 当然，作为数据和能量的载体，电磁波也有它的局限性，由于金属、液体、 混凝土等物质对电磁波有反射作用，这就导致当此种标签附着在金属物体或者液 体物品上时，阅读器可能无法正确识读应答器，这无疑在一定程度上限制了u h f 频段应答器的使用范围，+ 这也是今后亟待解决的问题之一。 3 2 2 应答器天线的等效模型和阻抗匹配 天线是无源应答器的重要组成部分，作为片上能量的唯一来源，天线的设计 直接影响应答器的性能。在u i - i f 频段，一般使用偶极子作为天线。其等效电路 天津大学硕士学位论文无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 如图3 3 所示。 一 三 图3 - 3 应答器天线的等效电学模型 偶极子天线的阻抗的实部由两部分组成，r r a 和r l o s s ，其中r r a 为偶极子天 线的辐射阻抗，是偶极子天线固有的，一般为7 3 欧姆，它表征天线对外辐射电 磁波的能力；r l o s s 为制作天线所用金属所带来的欧姆电阻，一般只产生热量。 天线阻抗的虚部x 一般为正值，因为天线一般来说总是对外呈现电感性，此等 效电感的大小一般取决于天线的拓扑结构和基板材质。 有了天线的等效电学模型，就可以将天线和应答器芯片放在一起考虑了，而 芯片本身可以看成一个二端网络，根据最大功率传输理论，当天线阻抗与芯片阻 抗共轭匹配的时候，芯片才能得到最大的输入功率，作为低功耗，远距离工作的 芯片来说，这是至关重要的。 f y1 2 鼬2 嚣 (3-9) j x 。 i v , w h e n 乙8 z ， 图3 - 4 应答器完整电路模型 如图3 _ 4 所示，就是一个完整的应答器等效电路模型，v s 为接收到的载波信 号，天线的阻抗z s = r s + j x s ，可以看作是电压源v s 的内阻。而z i = r l - j x l ，则 是芯片的等效输入阻抗，根据上面的讨论，当z l _ z s 时，阻抗匹配，功率传 输最大，接下来对于功率和电压幅度的讨论都是基于阻抗匹配时的结论。 有了上面的认识和理解，接着就要讨论一个更为实际的问题，就是在电路设 第三章u h fr f i d 应答器的射频前端设计 计过程中，如何加入仿真所用的激励源才能最大限度的接近实际情况。众所周知， 仿真所用的激励源没有一个恒功输出率源，而关于天线的理论计算得到的结果都 是应答器接收功率值的大小，建立一个接收功率和激励电压幅度的关系是我们必 须做的。 在阻抗匹配的情况下，从带有天线的应答器看进去，得到的阻抗应该是 z = 2 r l ，虚部抵消掉了，从而我们得到接收功耗p r e 和电压摆幅v s 之间的关系式， 略= 2 乓恐 ( 3 l o ) 同时我们还可以根据欧姆定律，得到输入到芯片两端的电压摆幅v i n ，该值 对于后面设计整流电路是十分重要的。 圪= 掣协 ( 3 - 1 1 ) 根据设计指标，工作距离3 米，阅读器发射功率为4 w e i r p 条件下，参数计 算如下：作为理想半波长偶极子天线，其有效接收面积为 4 = = 8 5 6 l o - 3 m 2 9 1 5 m h z ( 3 1 2 a ) 艺= p oq 万万口303形(3-12b) 为了说明问题，不妨先假设天线和芯片已经达到共厄匹配，设z a n t = 7 3 + j 3 0 0 ， 当然此时芯片的输入阻抗为z i n = 7 3 - j 3 0 0 ； k = 2 乞吃口2 9 7 m v ( 3 1 3 a ) = 掣哪6 3 咖y ( 3 1 3 b ) 有了上面的电压值，仿真就可以顺利进行了。天线虽然不是本文重点介绍的内容， 但在计算工作距离和电源恢复电路设计中必不可少。关于输入阻抗的计算和确定 会在后文中提到。 3 3 整流电路 电源恢复电路是整个应答器芯片最为重要的模块，它直接决定了整个芯片的 性能和应答器的工作距离。它由两部分组成，整流电路( r e c t i f i e r ) 和稳压电路 ( r e g u l a t o r ) 。下面就对这整流电路的设计加以详细讨论。 1 6 天津大学硕士学位论文 无源u h fr f i d 电子标签模拟前端设计 3 3 1 电荷泵 根据上一小节我们知道，在远距离工作时，应答器天线接收到的功率是很低 的，而且幅度往往也很小，这样就需要有一个升压电路，把低摆幅的交流信号转 化成具有一定水平的直流信号，为全片供电。根据需求的不同，如输入最小电压、 输出所需最小电压、功耗约束、工艺条件限制等等，可以有几种电路结构供选择， 见下表3 1 。 表3 1 可供选择的几种电路结构 输入最小电压所需输出是否需要 输出有效功耗方案 ( 峰峰值)直流电压特种工艺 1 v t h 左右 3v i h 皇 高 s c h o t t k t 二极管 宽 组成电荷泵 s c h o t t k y 二极管 2v i h 略 2v l h 略 4v i h 3v l h 否低 接桥式整流 图3 - 5 肖特