（微电子学与固体电子学专业论文）无源uhf+rfid标签芯片射频前端设计实现.pdf

摘要 摘要 射频识别( r f i d ) 是一种自动识别技术，利用数据存储和远程读取数据来实 现识别过程。无源超高频射频识别技术以其远距离、高速度和低成本已经成为r f i d 技术的研究热点，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。本文针对射频识 别标签芯片的应用需求，对射频前端电路高性能、高灵敏度、低功耗、低成本方 面展开了大量的研究。 首先，本文对超高频射频识别系统的物理基础及其工作链路进行分析，从电 磁场基本理论入手，对射频识别系统的能量传输、数据传输等物理过程进行了分 析，并介绍了射频识别系统的组成及其对通讯过程。 其次，本文对超高频射频电子标签的整体结构做了介绍，同时分析了射频前 端各电路模块的设计指标。 然后本文详细阐述了射频前端电路设计原理及过程，包括高效倍压整流电路、 调制电路、解调电路和e s d 保护电路。针对射频识别标签的低成本要求，本文设 计一个只需标准c m o s 工艺即可实现的高效倍压整流电路；在低功耗方面，高效 倍压整流电路的效率达到6 0 0 o 8 0 ，在能量需求方面满足了远距离要求。同时改 进调制解调电路，使其灵敏度得到提高，满足协议标准要求，并使芯片在性能上 满足远距离要求。为保证芯片可靠性，本文设计了一个为保护天线接口p a d 的e s d 保护电路，在不影响芯片整体性能的情况下，保证芯片长期有效的工作。 最后给出了射频前端及整个芯片的版图设计，详细阐述了版图设计过程中所 采取的一些方法和原则，并给出了测试相关方法及数据。 本文设计的射频识别标签芯片于2 0 0 9 年1 月和2 0 0 9 年7 月在t s m c 0 1 8 9 m 工艺线进行流片，测试结果满足无线最大读取距离6 m ，写m t p 距离2 m 。 关键词：射频识别电子标签倍压整流射频前端e s i ) a b s t r a c t i i i - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ 一一 a b s t r a c t 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 ( r f i d ) i sa l la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 、析mu s i n gt h ed a t as t o r a g ea n dr e m o t er e a d i n go fd a t at oa c h i e v et h ei d e n t i f i c a t i o n p r o c e s s f o ri t sl o n g d i s t a n c e ，h i 曲s p e e da n dl o w c o s t ，p a s s i v e 呷r f i dt e c h n o l o g y h a sb e c o m eah o tt o p i ci nt h er f i dt e c h n o l o g y ，a n dw i l lb eab a s i ct e c h n o l o g yi nt h e f u t u r ei n f o r m a t i o ns o c i e t yc o n s t r u c t i o n c u r r e n t l y ，r ff r o n t e n dc i r c u i t sw i t ht h e l o w - p o w e rc o n s u m p t i o na n d l o w - c o s th a v el a u n c h e da l a r g en u m b e ro fs t u d i e sf o rt h e a p p l i c a t i o n so fr f i dc h i p s f i r s t ，t h ep a p e rm a k e st h ea n a l y z e so f t h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma n d t h ep h y s i c a lb a s i so fi t sw o r kl i n kw i t ht h eb a s i ct h e o r yo fm a g n e t i cf i e l da n dd e s c r i b e s t h ep h y s i c a lp r o c e s s e so ft h ee n e r g yo fr a d i of r e q u e n c y ，s u c ha sd a t at r a n s m i s s i o na n d e n e r g yt r a n s m i s s i o n s e c o n d l y ，t h i sp a p e rh a sm a d et h ei n s t r u c t i o n so f t h eo v e r a l ls t r u c t u r ea b o u tt h e u h fr f i dt a g s ，a n da n a l y s i st h ec i r c u i td e s i g ns p e c i f i c a t i o no ft h er ff r o n t e n d m o d u l e s t h e n ，t h ep a p e re l a b o r a t e st h ed e s i g np r i n c i p l e so fr ff r o n t - e n dc i r c u i t ，i n c l u d i n g h i g he f f i c i e n tr e c t i f i e r ，m o d u l a t i o nc i r c u i t ，d e m o d u l a t i o nc i r c u i ta n d e s d p r o t e c t i o n f o rt h er e q u i r e m e n t so fl o w - c o s t ，t h i sp a p e rd e s i g n e dar e c t i f i e rw i t hs t a n d a r dc m o s p r o c e s sa n di t se f f i c a c yr e a c h e s6 0 8 0 a tt h es a m et i m e ，w ei m p r o v et h e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nc i r c u i t s ，s ot h a tt h es e n s i t i v i t ym e e t st h ep r o t o c o l s t a n d a r d s a sw e l l ，f o re n s u r ec h i pr e l i a b i l i t y , t h ep a p e rd e s i g n sa ne s dp r o t e c t i o nf o r t h ea n t e n n ai n t e r f a c ep a d i tc a ne n s u r et h ec h i pl o n g t e r me f f e c t i v ew o r kw i t h o u t i m p a c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec h i p s f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ee n t i r ec h i pl a y o u td e s i g na n ds o m ep r i n c i p l e s ，a n d g i v e st h er e l e v a n tt e s tm e t h o d sa n d d a t a t h ec h i pp u t t e di nt h i sp a p e rh a sb e e nt a p e do u ti nj a n u a r y2 0 0 9u n d e rt h et s m c o 18 p mp r o c e s sl i n ea n dp r o v e dt ob es u c c e s s f u l ，w i t ht h ew o r k i n gd i s t a n c eu pt o6 m ； t h es e c o n dd e s i g nr e s u l t st a p e da g a i ni nj u l y2 0 0 9u n d e rt h et s m co 18 1 a mp r o c e s sl i n e a n dt h et e s tr e s u l t sm e e tt h ew i r e l e s sr e a d i n ga n dw r i t i n gm t e k e y w o r d s ：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 ，r e c t i f i e r , r ff r o n t e n d ，e s d p r o t e c t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 、l、t 本人签名： 2 毛盎匙乙日期l 生。q ；：臣i 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期山2 塑。旦玉。q 日期21 2 。q 玉- o 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 研究背景 自动化产业的趋势正朝着高速与实时识别方向发展，实现连续识别和监测要 求进一步提高精度水平，这种实时识别通常被称为环境智能。实现这一可行概念 的技术之一被称为射频识别( 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 ) 或简称r f i d 。该技 术有着众多应用，包括后勤补给、门禁控制、交通运输、宠物管理、防伪、电子 档案等。 r f i d 标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读 写、非视距识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。r f i d 技术与互 联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，r f i d 技术应 用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。 随着相关技术的不断完善和成熟，r f i d 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间， 被认为是2 1 世纪最有发展前途的信息技术之一f 2 1 。 射频识别主要利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递 的信息达到识别目的技术。其相对于其它自动识别技术最突出的特点是可以非接 触识读、可识别高速运动物体、抗恶劣环境、保密性强、高准确性和安全性等。 按照能量供给方式的不同，r f i d 标签可分为有源、无源和半有源三种。无源 标签没有内置电池，标签在阅读器的阅读范围内从阅读器发出的射频能量中提取 其工作所需的电能。半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内标签那要求供电 维持数据的电路或者标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很 少，只有进入阅读器阅读范围内才被射频能量激活，利用阅读器的能量进行数据 通讯，其余时间处于休眠状态。有源标签的工作电源和上行通讯所需能量完全来 自于自带的电池。由于无源标签不需要外接电池，所以其成本、体积和可靠性优 于其它两类标签。 按照工作频率的不同，r f i d 标签分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波频段( m w ) 的标签。低频标签的典型工作频率在1 2 5 豳也1 3 4 k h z 之间， 波长较长，可以穿透大部分物体读取标签，但是数据率比较慢，作用距离小于l m ， 主要用于畜牧业的管理系统；高频标签指工作于1 3 5 6 m h z 的标签，通讯速率比低 频标签高，能勉强透过金属和液体读取数据，识别作用距离小于l m ，由于低廉的 价格和成熟的技术，目前已经广泛地用于各种门禁和收费系统。超高频标签通常 无源u h fr f i d 标签芯片射额曲端设计实现 工作频率在8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 之间，具有作用距离远( 典型3 m 1 0 m ) ，成本低， 通讯速度快等优势是目前r f i d 产业发展的热点。 c o m p u t e r r f i dr e a d e r 图i1 超高频r f i d 系统舶组成 本文主要针对。r 作频率为8 6 0 m i t z 9 6 0 m l t z ，符合i s o i e c l 8 0 0 0 - 6 c 标准的 u h fr f i d 标签芯片射频前端进行研究。 2 研究现状 在r f i d 技术研究及产品开发方i 百，国外要比国内领先很多，像美国、德国、 英国、瑞典等日前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。读卡器方面的供应商有 s y m b o l 、i n t e r m e c 、a l i e n 、s a v i 等，芯片的供应商有i m p i 叫、p h i l i p s 、t i 和s t 等。 与发达国家丰r 比，中国在r f i d 技术和应用上还只是处于发展初期。在硬件方 面国内已具有了自主开发低频( i f ) 、高频( h f ) 电子标签芯片与渎写器的技术能 力，其中在h f 频段方面的设计技术接近洲际先进水平，已经自主开发出符合相应 国际标准的芯j ，并成功地实现了产业化，如我国居民第二代身份证的使用，一 些城市公交射频卡付费系统，校园一卡通以及北京2 0 0 8 年奥运会门票等。 但u h fr f i d 技术方面我国则落后发达国家较多，目前还没有国内公司自 行开发出芯片而产业化的案例。所存在的技术问题丰要体现在标签天线设计和芯 片设计两个方面。 受应用场合的限制r f i d 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面， 甚至需要直接嵌入到物体内部。由于标签无线与阅读器天线分别承担着接收能量 和发射能量的作用，这些因素对天线的设计提出了严格要求。当前对r f i d 天线的 研究主要集中在天线结构和环境因素对天线性能影响以及减小天线尺寸上，出现 了分型天线、片上天线等研究方向”。 降低标签成本和标签芯片功耗是无源超高频射频电r 标签芯片设计所需解决 的两个主要问题。 标签成奉 第一章绪论 3 一 标签成本是r f i d 技术商业应用能否取得成功的关键。r f i d 标签的成本主要 由i c 芯片、天线和封装等几部分构成，芯片是其中的主要部分，大约占5 0 。由 于现有的很多r f i d 标签芯片设计都是基于特殊工艺( 锗硅、b i c m o s 等) ，因此成 本很高。这样高的成本显然无法应用于价值较低的单件商品，应用范围受到了很 大限制，根据a u t o i d 中心的预测，只有当r f i d 标签生产成本降低到5 美分时( 其 中i c 芯片约l 2 美分，天线约1 美分) ，u h fr f i d 才可能得到大规模的应用【5 1 。 随着微电子技术的飞速发展，c m o s 工艺己能制造应用于微波波段的芯片，射频 电路能集成到大规模数字电路的芯片上，而以c m o s 工艺制造的无线系统将会有 更低的制造成本，因此如何设计出与低成本c m o s 工艺兼容的r f i d 标签是现在 研究的热点【6 j 。 低功耗设计 标签芯片所能获得能量的大小和其自身功耗大小直接影响到标签的识别距 离。u h fr f i d 作为被动式、远距离的非接触识别技术，其标签芯片的工作能量 全部来自于内部电路对输入射频信号的整流和放大，因此标签的内部电路必须具 有较高的转换效率，可以把微弱的输入信号转换成芯片工作的直流电压，同时芯 片本身要以极低的功耗正常运作。 国外的r f i d 标签芯片研究中采用了一些电路设计技术来降低标签芯片各模 块电路功耗，如亚阈值电路、异步电路、绝热电路、高效率整流电路、低功耗非 易失存储器设计等7 】【8 】【9 】，取得了较好的效果。如何设计出功耗低，适用于u h f r f i d 标签芯片应用的单元电路是决定标签芯片设计成功与否的关键。 1 3 论文研究内容与贡献 本文从宏观上对u h fr f i d 芯片的整体设计进行把握，对芯片射频前端设计 中遇到的主要问题提出了一些新的解决方案，并在实际设计中进行了验证，研究 的主要内容和贡献主要有以下方面： l 、针对u h fr f i d 芯片的关键电路一倍压整流电路，提出了四种新型的倍压整流 电路：基于肖特基管的十级主从倍压整流电路、十级c t sd i c k s o n 倍压整流电路、 基于t s m c 0 1 8 p r o 带本征管的c m o s 工艺的三级倍压整流电路、基于 t s m c 0 1 8 p r o 标准c m o s 工艺的二级倍压整流电路。通过对上面四种结构的成本、 结构及性能对比，得出基于t s m c 0 1 8 p r o 标准c m o s 工艺的二级倍压整流电路由 于只使用正常阈值管，价格最便宜；阈值补偿电路使得整流电路电压值增益高， 使用级数少，所以其结构最简单；同时由于阈值补偿的精确控制，使得整流电路 的整流效率由2 0 提升到6 0 0 o 8 0 。 2 、文本提出了用一级倍压整流电路进行检波，并采用二级低通滤波器保持电压峰 ! 无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 值，提高了解调电路的灵敏度，满足协议要求偏差小于5 。 3 、比较p s k 调制和a s k 调制反向散射原理，提出一种简单的p s k 调制电路，不 仅反射能量小，灵敏度也得到提高。 4 、通过研究e s d 防护电路的种类，本文选取了一种适合天线接口电路的e s d 防 护结构，满足其高频低压特性，并通过了流片测试验证。 5 、本文包含了在t s m c o 1 8 p m 流片的测试结果，芯片最大读距离达到6 m 。 本论文较完整地介绍了基于i s o i e c l 8 0 0 0 6 标准的u h fr f i d 芯片的射频前 端设计和实现流程，研究工作的重点集中在新型整流器的设计和e s d 防护电路的 验证，针对实际芯片设计中遇到的实际问题提出了新的解决方法。 1 4 论文组织结构 本论文首先介绍了r f i d 技术的应用和发展状况以及超高频射频识别系统的 物理理论基础和系统构架；然后针对超高频射频电子标签无源低功耗特点及阻抗 匹配原理，设计了标签芯片的射频前端电路，提出几种新型的电路结构，包括高 效倍压整流电路( 效率 6 0 ) 、高灵敏度的解调电路、低反射能量的p s k 调制解 调电路，并与改进之前相应电路对比，给出电路的仿真结果、版图设计、射频前 端的阻抗分析及与天线的匹配设计，最后总结测试结果并对比仿真结果。论文共 分为六章，具体组织结构如下： 第一章“绪论”介绍了射频识别技术的发展和应用现状，分析了超高频射频 识别技术的应用难点。 第二章“无源u h fr f i d 系统的物理基础和工作原理 对超高频射频识别系 统的物理理论基础进行了介绍，并对其系统工作链路进行了分析。 第三章“无源u h fr f i d 芯片系统架构与关键指标分析”详细介绍了标签的 模块划分及射频前端各模块的功能和关键设计指标。 第四章“无源u h fr f i d 芯片中射频前端电路设计”对标签芯片的射频前端 电路设计进行了理论分析，并介绍了各个模块的设计思路。主要研究了高效倍压 整流电路、调制解调、e s d 保护电路，这些电路都对芯片的整体阻抗、射频前端 性能产生最主要的影响。 第五章“无源u h fr f i d 芯片射频前端版图设计和流片测试验证 给出射频 前端及整个芯片的版图设计，介绍了版图设计过程中所采取的一些方法和原则， 并给出芯片射频前端测试相关方法及数据。设计的方案于2 0 0 9 年1 月和2 0 0 9 年7 月在t s m c 进行了流片，测试结果芯片功能完整，工作距离满足读6 m ，写距离满 足2 m 。 第六章“总结与展望 总结了本论文的工作，给出了今后进一步的研究方向。 第二章无源u h fr f i d 系统的物理基础和工作原理三 第二章无源u h fr f i d 系统的物理基础和工作原理 本章从射频识别系统的工作原理入手，以天线及电磁场原理为基础，推导了超 高频射频识别系统的能量传输及数据传输理论。同时，分析了了u h fr f i d 的系 统构成及其通讯过程。 2 1 无源u h fr f i d 系统的物理基础 2 1 1 麦克斯维方程及电磁场基本理论 由电磁学的基本知识我们知道变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。而 当电场是连续交变的时将产生连续交变的磁场，连续交变的磁场又将产生连续交 变的电场。由于随时间变化的电场与磁场的相互依赖关系，于是在空间中有系 列的电场和磁场效应。麦克斯维方程对电磁场的这种性质进行了描述【l o 】，为方便 起见，我们将麦克斯维方程表达为频域形式，如式( 2 1 ) ( 2 - 4 ) 所示。 v x e = j o g b( 2 1 ) v h = j j c o d v x d = p ( 2 2 ) ( 2 3 ) v b = 0 ( 2 - 4 ) 其中= 一j c o t 。 在方程( 2 1 ) ( 2 4 ) 中：e = 电场强度矢量( v m ) ，h = 磁场强度矢量( a m ) ， b = 磁感应强度矢量( t ) ，d = 电感应强度矢量( c m 2 ) ，j = 体电流密度矢量( a m 3 ) ，p = 体电荷体流密度矢量( c m 3 ) 。 再加上连续性方程： j w p + v j = 0 ( 2 - 5 ) 与前面的麦克斯维方程一起便能表达电磁场的基本理论。 还需介绍一个参量是电磁能流密度( 也称作坡印廷矢量) ： s = e h ( 2 6 ) 一6 无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 坡印廷矢量的方向代表电磁能传递的方向，其大小代表单位时间流过与之垂直的 单位面积的电磁能量。根据电磁波的e 、h 及传播方向构成右旋系的性质可以看出， 电磁波的能流密度矢量s 总是沿着电磁波的传播放向，即能量总是向前传播的。 电磁波中e 和h 都随时间迅速变化，式( 2 6 ) 中给出的是电磁波的瞬时能流密度。 在实际中更为重要的是它在一个周期的平均值，即平均能流密度： 一 1 s = 去毛风 ( 2 - 7 ) z 式中厶和凰分别是e 和的振幅。 2 1 2 天线 为了更好的理解射频识别系统的通讯链路，本节对天线进行了简单的介绍。 描述天线工作特性的参数称为天线的电参数。他们是定量的衡量天线的性能 的尺度，用以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力。 下面是一些主要的天线参数【ll j ： 方向函数：天线辐射出去的电磁波虽然是球面波，但并不均匀，因此，任何 一个天线的辐射场都有反向性。所谓的方向性，就是在相同的距离下天线辐射场 的相对值与空间方向的关系。 即纠= 揣= 黼 ( 2 - 8 ) 其中，厂础( p ，妒) 为方向函数的最大值；瓦。为最大辐射方向上的电场强度； e ( o ，妒) 为同一距离( 9 ，妒) 方向上的电场强度。 线效率：通常被定义为天线辐射功率和输入功率之比。 增益系数：是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它等于在同一 距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向的辐射功率密度和理想无 方向性天线的辐射功率密度之比。 天线的极化：是指天线辐射时形成的电场强度方向。一般而言，特指为该天 线在最大辐射反向的电场的空间趋向，天线极化可分为线极化、圆极化和椭圆极 化等。 频带宽度：当天线工作频率发生变化时，天线的有关点参数变化的程度在所 允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。 天线的输入阻抗：是天线馈电端输入电压与输入电流的比值，天线与馈线的 连接，最佳情形的天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特征阻抗，这时馈线终端 没有功率反射。 通常一个任意天线具有复数输入阻抗，其可以写为z 删，= 凡+ 弘，册，其中， 第二章无源u h fr f i d 系统的物理基础和工作原理 三 也= + r ，足是天线的辐射电阻，是天线的只矿损耗电阻，z 硎是阻抗的 虚部，对应天线的有效孔径，只矿是可以获得的天线功率，用以驱动匹配负载1 1 。 s 图2 1 天线等效电路模型 损耗电阻是由于制作天线元件的实际电阻所形成的介质损耗。折中情况下 功率以热的形式耗散。尽管所出现的“直流”电阻很小，但是在高频下趋肤效应6 出现，只有导体的表面部分被利用。因此，闭环天线的有效阻抗要高于d c 下的实 测电阻，其正比于导体的周长和频率的平方根。由于趋肤效应，损耗可以利用电 阻来建模，被称为高频电阻，而其值可以用下式来近似计算： j 吒= e q g r 气( 2 - 9 ) r 胛丽1 =f - 嘉去 ( 2 - 1 0 ) 其中，w 和f 为导体的宽度和厚度，仃为材料电导率，为自由空间介电常数。 另一个电阻分量为“辐射电阻”，其可以被看作实际电阻。这是因为当功率被 辐射时，功率被“耗散 了。设计天线的目的就是以这种方式尽可能的多“耗散 功率。辐射电阻并非实际电阻，但是可以很方便地代表来自天线的能量损耗。在 实际电阻中，损耗的能量被转换为热。对于辐射电阻，能量并未转换为热，而是 简单地作为射频辐射。 理想段天线上的电流可以假定为均匀的【6 】，根据一般电磁场理论，理想偶极 子产生的电场强度与磁场强度在一定条件下( f i r 1 ，也即厂 必万) 可简偶极 子天线来讨论其辐射特性。所谓理想偶极子天线是指长度极短的- d , 段天线，这 化为： = 谚i d l 叩。( 2 c o s 0 ；+ s i n 0 含) ( 2 - 1 1 ) = 器s i l l 日参( 2 - 1 2 ) 方程中0 、扒，的关系如图2 2 所示。 肚v10 曼无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 图2 2 理想偶极子坐标系 可见，当在近场( ， 1 ( ， 必7 r ) 时，称为远场，理想偶极子产生的电场强度与磁场强度 可表示为： = 歹等r o 卢e 咖s i n p 含( 2 - 1 3 ) 嘞= 歹等p e - j # rs m 铀( 2 - 1 4 ) 由公式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 可知，当在远场时，电场和磁场相位相同，并且相互正 交，坡印廷矢量e h 是实数，说明在远场电磁场通过电磁波向外辐射能量，这一 点对我们超高频远距离射频识别来说非常重要，在超高频射频识别系统中，阅读 器就是通过电磁波将能量传递到标签的。 2 1 3 无源u h fr f i d 系统的能量传输 读写器发射天线模型如图2 3 所示，z r = r r + 鹏为等效信号源阻抗， 乙= 凡+ 鹏为读写器发射天线的等效阻抗1 1 1 。 第二章无源u h fr f i d 系统的物理基础和工作原理 ! v l 。2 图2 3 读写器发射天线模型 当信号源阻抗和负载阻抗共轭匹配，即实部相等，虚部相反时，传输到负载 上的功率达到最大值 = 捣 ( 2 - 1 5 ) 天线是一个双向对等的器件，可以作为发射天线，又可作为接收天线。在电 子标签中，标签天线的等效阻抗模型如图2 4 ，标签天线的负载阻抗为 乙= r r + j ，信号源依赖于入射场强的幅度、传播方向和天线的极化等。 图2 4 标签天线等效阻抗模型 当发射天线与接收天线极化的匹因子p ，标签天线增益为g f ， 因子g ，综合上述分析得到标签天线接收到的可用能量么为 叫渺篱 2 1 4 无源u h fr f i d 系统的信号传输 标签阻抗匹配 ( 2 - 1 6 ) 在超高频色品识别系统中，信号的传输是通过电磁波后向散射耦合原理，也 称为调制后反射进行【1 1 1 。调制后反射原理可以通过天线的反射界面仃来说明。天 线的反射截面仃反映了物体反射电磁波的效率。由雷达技术可知，电磁波大小超 竺 无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 过了波长一半的物体所反射。 在超高频射频识别系统中，当标签芯片负载阻抗与天线阻抗共轭匹配时，天 线从有效接收面积彳，中接收到的可用能量只将全部传递给标签芯片；当标签天线 端点短路时，天线接收的功率将完全被反射回空间，即反射截面积仃一= 4 。 当标签芯片负载阻抗为其他值时，反射截面积仃为0 到仃。之间的任意值。 ，2 仃一= 4 = 兰g f ( 乙一0 ，) ( 2 - 1 7 ) 将上试化简为 仃m j n = 0 ( z rjz ) ( 2 1 8 ) 仃刎2p f 2 g 2 ( 咖) 乞( 2 - 1 9 ) 根据式( 2 1 9 ) ，可以得到标签天线反射回空间的能量为 喙擎 p 2 。， 由上面公式推导，可知标签芯片接收到的能量与读写器和标签的距离r 的二 次方成反比，而读写器从标签芯片所得到的反射能量与读写器和标签的距离r 的 四次方成反比。标签芯片工作所需要的能量越少，芯片的工作距离越远；芯片的 工作距离越远，标签天线反射回空间的能量越少，要求读写器的灵敏度越高。 2 2 无源u h fr f i d 系统的工作原理 2 2 1u h fr f i d 系统组成 无线射频识别( r f i d ：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 ) 技术是一种非接触式的 自动识别技术，它利用射频信号及其空间耦合和传输特性，对静止或移动物体进 行自动识别。一个完整的r f i d 系统的硬件通常由射频标签、读写器、读写器天线 和计算机所组成，如图2 5 所示， 1 ) 计算机：主要用于系统数据管理，并实现用户和数据信息的交互。 2 ) 阅读器：阅读器主要由基带电路部分和射频电路部分组成，而射频电路部分由 发射电路和接收电路组成：发射电路产生需要载频的载波，经过调制、放大后 通过天线发射出去；接收电路接收标签的返回信号经过天线接收后，通过混频、 放大、比较处理后送到基带电路解码。基带电路除了完成标签信号的编解码外， 第二章无源u h fr i ：i d 系统的物理基础和上作原理 还完成标签协议的处理、与上位机的数据通讯，通讯的接口一般有r s 2 3 2 接 口、r s 一4 8 5 接口或者e t h e r n e t 接口。 图2 5r f i d 系统硬件构成 阅读器 r b i d 标链 3 ) 阅读器天线：发送射频能量供标签使用，同时发送命令与数据。 4 ) r f i d 标签：由标签天线和标签芯片组成。其中天线用于接收射频能量和调制 信号并利用反向调制原理向阅读器返回数据；标签芯片是射频识别系统的真 正数据载体，它实现阅读器的命令的执行和数据交互，由射频模拟前端和数 字基带两部分组成。 2 2 2u h fr f i d 通讯过程分析 无源u h fr f l d 系统的通讯过程可以分为两个层次：一是底层的阅读器与标 签之间的通讯过程二是阅读器与后台数据库、网络和应用体系之间的通讯。阅 读器在一定的标准规定下，通过空气接口读取标签唯一的电子编码，然后通过网 络将标签数据发送到上位机的数据库中进行查询，获得该标签相关的详细信息。 通过互联朋，可以在全球范围内对电子标签进行跟踪查询和管理。 无源u h fr f i d 标签与阅读器之间的通讯原理与雷达的工作原理类似。其通 讯数据传输包括两个链路：上行链路和下行链路。对下行链路，包括数据传输和 能量传输两个过程：阅读器向标签发射的高频电磁波通过芯片内部射频电路转换 为直流电压为芯片提供工作电源电压，完成上电过程。同时，阅读器将一系列 的命令和数据调制到高频电磁波中，此调制电磁波被芯片内部解调电路解调为基 带信号，并输入到数字基带，进行解码等相应的数据处理；对上行链路，数字基 带将命令解调后，通过改变芯片自身的阻抗采改变天线的反射系数，使天线反馈 旦 无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 回阅读器的能量大小随调制信号的改变，从而将标签的信息调制到反射波上来实 现上行链路的数据传输。阅读器通过接收和解调标签反射回来的电磁波可以获得 标签的数据。 阅读器和标签之间的通讯是半双工的，在整个通讯过程中，阅读器是会话的发 起者。为了实现远距离范围多标签的可靠读写，标签的与阅读器之间还需进行数 据编码，差错校验，并采取防冲撞机制实现对多个标签进行识别。同时为了数据 的安全性需要进行一定的加密、解密处理，这些功能由标签的数字基带实现【l 2 1 。 2 3 小结 本章对射频识别系统所涉及的物理基础进行了详细的分析与推导，对射频识 别系统的能量传递、调制发射等物理过程进行了阐述，并对u h fr f i d 系统的工 作原理和通讯过程做了简单的分析。 第三章无源u h fr f i d 芯片系统絮构与射频前端关键指标分析 第三章无源u h fr f i d 芯片系统架构与射频前端 关键指标分析 根据i s o e c l 8 0 0 0 6 c 标准，本章提出了一种u h fr f i d 芯片的整体设计方 案，并分析了实际芯片设计中射频前端电路需要考虑的性能指标。 3iu h f r f i d 芯片架构分析 标签芯片整体结构框架如图3l 所示。 阁3 】u h f r f i d 芯片架构 芯片分为射频模拟前端、数字基带和存储器三部分，其中射频模拟前端又可 分为射频前端和模拟前端射。本文定义射频前端电路为与天线端口相连的模块， 它们直接影响芯片整体性能及阻抗匹配。由于它们与高频信号直接相连，这些模 块在电路设计及版图设计时需要考虑电路的高频性能及版图寄生效应。射频前端 的丰要作用是为芯片提供能量，完成信号调制解调，包括倍压整流电路、调制器 r 。_ 、 _ 射频摸扭前端l ，3 = = = = = c = = = = = l 一 冈蕊n 二；= = = ；= 型l ，- - - - 二= = = z = ；= 三- ， 回回回国圆回回回回回 圈3 2 射频模拟前端电路模块 竺 无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 电路、解调器电路和e s d 防护电路。定义模拟前端为处理射频前端提供信号的模 块，使之稳定化、规范化，提供给数字基带。模拟前端的作用是稳定射频前端提 供的电源，使得芯片接收能量的大小不影响芯片的性能，同时还提供复位和时钟 信号，包括泄流稳压电路、基准电流源、e e p r o m 倍压电路、稳压电路，上电复 位电路和时钟电路。 芯片整体工作情况如下：倍压整流电路是整个芯片的能量来源，它将天线耦 合得到的射频能量经过电荷泵的结构进行整流和电压倍增后得到芯片所需的直流 能量，并存储于分布于整个芯片中的储能电容中。当电压上升到一定程度时，上 电复位电路输出复位信号，启动时钟电路产生时钟信号，并将基带处理器复位， 进入就绪状态，准备接收阅读器发送的命令。芯片的解调电路对阅读器的a s k 信 号进行检波和整形后得到标准的数字信号。基带处理器对解调输出的数字信号进 行解码和命令解析，并根据命令的要求向阅读器返回信号。基带处理器返回的信 号经过调制反射电路，通过改变芯片自身阻抗，调制芯片与天线的匹配和反射系 数，对芯片反向散射的射频连续波进行调制，阅读器通过检测反射波的变化可以 获得芯片反射的数据。 按照图3 1 设计的无源u h fr f i d 标签芯片，其设计难点主要有以下几个方面： 1 ) 超低功耗设计和高效倍压整流电路设计 由于无源标签没有内嵌电源，只能采用远程供电，而所有芯片的工作能量只 能由整流电路将标签天线获得的射频能量转换为直流能量，并存储在储能电容中。 因此，倍压整流的效率和标签内部各模块功耗直接关系到标签识别距离的大小。 2 ) 标签低成本设计 由于芯片的实现工艺直接跟芯片的制作成本挂钩，所以复杂的工艺必然增加 标签芯片的成本。如果想把超高频识别广泛应用于物流等方面，成本是关键因素。 在本文中，针对芯片的成本减低，改进了倍压整流，因为之前的倍压整流一直使 用肖特基二极管，这种管子的阈值很低，工作速度快，电压损耗小，但是它同时 需要特殊的工艺掩膜层。在不降低倍压电路效率的前提下，用标准c m o s 工艺中 的管子代替肖特基二极管，通过阈值消除技术来降低阈值损失，从而降低了芯片 的成本。 3 ) 射频前端分析 标签的芯片功耗设计包括两个方面，一是如何减低标签芯片内部的功耗，另 一方面就是如何提高射频前端电路的整流效率、匹配程度及工作频率的带宽等。 在射频设别标签芯片设计中射频前端电路根据经验在电路设计好后，通过射频仿 真软件a d s 等对电路进行仿真、调整得到设计参数。 可以从上面几个难点看出，标签芯片的设计难点主要是射频前端的设计，其 好坏直接影响到芯片的性能和工作距离。 第三章无源u h fr f i d 芯片系统架构与射频前端关键指标分析笪 3 2 射频前端设计指标分析 由于u h fr f i d 标签芯片是无源的，所以芯片所有的能量都来自于阅读器发 射的微弱的空间电磁场能量。理论上，芯片在自由空间可以获得的能量可以由f i i s 公式1 3 】得到： 乃= 犯= 础器 ( 3 - 1 ) 如= 舢刊器 ( 3 - 2 ) 其中岛是理想情况下标签在空间中能够获得的能量，是阅读器能接收到的 标签返回的能量，p 表示阅读器发射出的射频信号能量。 设芯片与天线匹配的情况下，若按照美国的标准，阅读器的发射功率为 4 w e 瓜p ，天线增益都为0 d b ，载波频率为9 0 0 m h z 时，芯片能接收到的能量与距离 的关系可以由图3 3 的曲线表示。 p o w e rv sr a n g e 铷r r r t 一 681 01 2 1 4 图3 3 芯片获得的能量与距离的关系 如果设芯片的工作距离为7 m ，芯片的输入功率3 0 9 w ( 匹配下天线消耗一半 功耗) ，假设倍压整流电路的效率为6 0 ，则芯片除去倍压整流电路外的所有电路 可得到功率为1 8 1 t w ，其中模拟前端的功耗只需8 9 w ，其余1 0 9 w 的功耗都可以 为数字所用。如果考虑e e p e o m 擦写，功耗会急剧增加，所以擦写时的工作距离 要小于7 m 。 本文定义直接与天线高频信号接口的电路为射频前端电路，包括倍压整流、 解调电路、调制电路和e s d 电路。除了需要考虑这些电路的功耗外，还需考虑如 下指标： | 寻 珊 瑚 伽 佃 o l 3 d i c u - j im!。u叱j曾舌正 堕 无源u h fr f i d 标签芯片射频前端设计实现 1 ) 射频前端在满足标准条件下，所能得到的最高射频能量易。 2 ) 射频前端的整流效率t 1 ，即倍压整流电路将交流能量转换成直流能量的效率。 提高倍压整流电路的整流效率是提高u h fr f i d 芯片性能的关键，也是设计的 重点和难点所在。 3 ) 射频前端的驱动能力，即能够满足负载( 包括模拟前端、基带处理器以及存储 器) 在所需最低工作电压v d d m ；。下所能提供的最大电流厶。 4 ) 射频前端倍压整流电路的整流级数n ，优化级数，可得到最优倍压整流效率。 5 ) 射频前端的整流纹波系数s ，即整流输出电压基波峰值与输出电压平均值之比。 6 ) 射频前端的输入阻抗互。，该阻抗用来在设计天线匹配时提供参考。乙受很多 因素的影响，如输入功率的大小、负载电阻大小、输出电压幅值、整流电路结 构等，而且标签天线设计的阻抗值有一定的优化范围，因此确定标签芯片的阻 抗对将来天线的设计有很大的参考价值，若标签芯片的阻抗不合适，将对天线 的设计和匹配带来很大的困难。最后标签的输入阻抗可以由仿真结果进行估 计。通常u h fr f i d 芯片的阻抗是容性的【1 4 】，带有感性输出阻抗的天线通常可 以获得很好的功率匹配【”】，为了获得较好的匹配效果，天线和芯片射频电路的 接口必须进行精心的设计。 7 ) 射频前端包络检波的最低灵敏度己 n ，即当带a m 调制的射频信号包络进行检 波的最