（电子科学与技术专业论文）无源超高频射频电子标签芯片模拟射频前端电路的分析与研究.pdf

中文摘要 数据接口模块包括调制器、解调器以及时钟产生电路。本文对于调制电路 的调制类型进行了理论分析，并比较总结了射频识别电子标签常用的调制类型 的优缺点。对于解调电路结构的种类和性能指标进行了分析与总结。另外，本 文还设计了一种满足e p c 精度要求的片上振荡器，作为时钟产生电路，并给出 了实际测试结果。 最后，本文根据对射频前端电路各模块的理论分析，针对标签芯片射频前 端要求的低输入能量，高转换效率的特点，文章设计了符合e p c 标准的超高频 射频电子标签芯片。文章对于射频前端电路的每一个模块都给出实际电路设计 方案。设计采用兼容e e p r o m 的0 3 s u mc m o s 工艺完成，芯片射频频率带宽为 8 6 0 m h z - - 9 6 0 m h z ，中心频率为9 1 0 姗z 。输入射频功耗为9 0 u w 二- 3 0 】丑w ，芯片工作 电压为1 6 5 v 。文章最后给出了芯片模拟射频前端电路的测试结果。 关键字：无源超高频射频电子标签射频前端低功耗能量提取电路建模 a b s t r a c ：t a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g eo fl o n go p e r a t i n gr a n g ea n dl o wc o s t , u l t r a - h i g h - f r e q u e n c y ( u h f ) 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 ) a p p l i c a t i o ni n c r e a s er a p i d l y i nt h i s t h e s i s ，d i s c u s s i o no na n a l o gr ff r o n te n do fu h fr f i dt a gc h i pi sp r e s e n t e d p a s s i v er f d s y s t e mr e q u i r e sc o n t a c f l e s st r a n s m i s s i o no fb o t ht h ei n f o r m a t i o na n d t h ep o w e rb c t w s e nt r a n s p o n d e ra n dr e a d e r t h er fe n e r g yr a d i a t e db yt h er e a d e ri s u s e db o t ht o s u p p l y t h e p a s s i v eu h fr f i dt r a n s p o n d e ra n dt o a l l o wd a t a t r a n s m i s s i o nf r o mt h e t r a n s p o n d e r t ot h er e a d e r t h r o u g hm o d u l a t i o no ft h e b a c k s c a t t e r e dr a d i a t i o n t h u s ，w ed i v i d ea n a l o gr ff r o n to fu h fr f i dt a gc h i pi n t o t w of u n c t i o n a lb l o c k s ，t 1 1 e ya r ep o w e rm a n a g e m e n tb l o c ka n dd a t ai n t e r f a c eb l o c k w ef i r s td i s c u s st h ep o w e re x t r a c t i o nc i r c u i t s ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n t s u b b l o c ko fp o w e rm a n a g e m e n tb l o c k m o d e l i n ga n da n a l y s i so ff a rf i e l dp o w e r e x t r a c t i o nc i r c u i t sf o r p a s s i v e u h fr fi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) a p p l i c a t i o na r e p r e s e n t e d am a t h e m a t i cm o d e li s d e r i v e dt op r e d i c tt h ec o m p l e xn o n l i n e a r p e r f o r m a n c eo fu h fv o l t a g em u l 卸l i e ru s 吨s c h o t t k yd i o d e s t or e d u c et h e c o m p l e x i t yo f t h ep r o p o s e dm o d e l ，as i m p l el i n e a ra p p r o x i m a t i o nf o rs c h o t t k yd i o d e i si n t r o d u c e d m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wc o n s i d e r a b l ea 伊e e m e m 淅mt h ev a l u e s c a l c u l a t e db yt h ep r o p o s e dm o d e l 晰也t h eh e l po ft h ed e r i v e dm o d e l ，o p t i m i z a t i o n o ns t a g en u m b e rf o rv o l t a g em u l t i p l i e rt oa c h i e v em a x i m u mp o w e rc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yi sd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h eb o d e - f a n oc r i t e r i o na n dt h e p r o p o s e dm o d e l ，al i m i t a t i o no nm a x i m u r np o w e ru pr a n g ef o rp a s s i v eu h fr f i d p o w e re x t r a c t i o nc i r c u i t si s a l s os t u d i e d m o r e o v e r , a ne f f i c i e ml o wp o w e rp o w e r m a n a g e m e n tm e t h o di sp r o p o s e dt om a i n t a i nl o wp o w e rc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s f o rt h ed a mi n t e r f a c eb l o c k , f o r m u l a sf o rb o t hm o d u l a t i o na n dp o w e re f f i c i e n c y a n df o rd i f f e r e n tm o d u l a t i o nt y p e sa r es u m m a r i z e da n dg i v e n d i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e s a n dt y p e so fd e m o d u l a t o ra r ea l s op r e s e n t e di nt h i st h e s i s f u r t h e r m o r e ，al o wp o w e r r i n go s c i l l a t o rf o re p cs t a n d a r du i - i fr f i dt r a n s p o n d e ri sd e s i g n e d f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ea n a l o gr ff r o n te n dc i r c u i t so fu h f i l l a b s t r a c t r f i dc o m p l yt oi s o18 0 0 0 - - 6 cp r o t o c o la r ed e s i g n e d t h et a gc h i ph a st h ei n p u t e n e r g yf r o m9 0 u w t o3 0 r o ww i t ht h es u p p l yv o l t a g eo f1 6 5 va n dl o a dc u r r e n to f 3 0 u aa n dt h eb a n d w i d t ho f8 6 0 m h z - 9 6 0 m h zw i t ht h ec e n t r a lf r e q u e n c yo f 9 1 0 m h z t h ep r o t o t y p ec h i pi si m p l e m e n t e di nc m o s0 3 5 1 a n2 p 4 mt e c h n o l o g y t h ee x p e r i e m e n t a lm e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：p a s s i v eu h fr f i d ，r ff r o n te n d ，l o wp o w e r , p o w e re x t r a c t i o n c i r c u i t s ，m o d e l i v 第一章前言 第一章前言 第一节研究背景 条形码在识别系统领域中引起了一场革命并得到了广泛应用a 1 。今天，这种 条形码在越来越多的情况下已经不能满足人们的需求了。条形码虽然很便宜， 但是它的不足之处在于存储量小且不能进行改写。为解决条形码的不足，可以 将数据储存在一块芯片里。早期的日常生活中，具有触点排的i c 卡( 如电话i c 卡、银行卡等) 是电子数据载体的最普遍的结构。然而，在许多情况下机械式 接触的i c 卡不够可靠，相比之下，在数据载体与一个所属的阅读器之间进行非 接触式数据传输的方法则灵活得多。最理想的方法是，电子数据载体工作时所 需要的能量可以通过阅读器来进行非接触式的获取。根据使用的能量和数据传 输方法，我们把非接触式识别系统称作射频识别系统( r f i d - - r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 【2 】。 伴随着科技的进步，人们的生活与无线科技的紧密结合带来很多便利，射 频识别系统能在数公分甚至数米的距离做非接触式识别，同时读取多个标签，具 有较高的安全性，很有可能在未来几年内完全取代现有的条形码标识系统。在 我们的实际生活中随处可见射频识别系统的应用口】，如门禁系统、城市一卡通、 电子身份证、物流管理、图书管理、医疗药物管理及高速公路汽卓自动收费等， 目前射频识别系统已经深入到人们日常生活的各个方面。 射频识别系统是一种具有很大市场潜力的产品。截止到2 0 0 7 年初，在过去 的6 0 年里累计售出的r f i d 标签有3 7 5 2 亿个。其中，2 0 0 6 年标签销售额占到 了2 7 ，2 0 0 5 年占1 9 ，这表明r f i d 标签的销售正在稳步增长。射频识别系统 的市场同无线电工业、手机和无线电话一样，都属于最迅猛增长的领域。 近年来，非接触式识别技术已经逐步发展成为一门独立的跨学科专业，与 任何传统学科不同的是，它将大量来自不同专业领域的技术综合到一起：高频 技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许 多应用技术。采用电子标签取代商品条码，将为全球供应链管理带来革命性变 第一章前言 革。同时将极大地促进全球集成电路产业、微电子产业、互联网和无线通信的 产业发展。 通常射频识别系统由应答器( t a g ) 和阅读器两部分构成n 制。应答器放置 在被识别物体处，用于储存和收集数据：阅读器来读取应答器储存的数据( 或 向t a g 写入数据) ，如图1 1 所示。 图1 1 射频识别系统组成 t 砖2 一t l e m 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元及与应 答器相连接的耦合元件。此外还可能包括与其他系统( 个人计算机、机器人控 制装置等) 相连的接口。 应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件及微电 子芯片组成。在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态：只有在应答器 的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，与其工作时所 需的时钟脉冲和数据一样，都是从阅读器那里发射出来的，并且通过耦合单元 传输给应答器的。 第二节射频识别( r f i d ) 系统的分类与特征 射频识别系统包含有许多不同的类型，它们之间可以通过基本工作方式、 工作频率、数据传输方法、应答器的供电方式和系统的作用距离等特征区别开 来。 尝 睡霪嬉 第一章前言 就射频识别系统基本工作方式来说，可分为全双工( f d x ) 和半双工( h d x ) 系统，以及时序系统u 3 。在全双工和半双工系统中，应答器的应答响应是在阅读 器接通高频电磁场的情况下送出去的。实践中通常采用负载调制、带有负载波 的负载调制，以及阅读器发送频率谐波等方法，实现从应答器到阅读器的数据 传输。时序方法则与之相反，阅读器的电磁场短时间周期的断开。这些间隔被 应答器识别出来，并用于从应答器到阅读器的数据传输。时序方法的缺点是： 在阅读器发送间歇时，会造成应答器的能量供应中断，因此必须装入大的辅助 电容器或辅助电池进行补偿，如图1 2 所示。 图1 2 全双工、半双工和时序系统的时间过程说明 射频识别系统的一个重要特征是系统的工作频率和作用距离。通常把阅读 器的发送频率称为射频识别系统的工作频率，不考虑应答器的发送频率。在任 何情况下，应答器的“发射功率”要比阅读器的发射功率低几十个百分点。 通常把发射频率分为三个范围：低频( 3 0 k h z - - 3 0 0 k h z ) 、高频或射频( 3 心i z - - 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z - - 3 g h z ) 或微波( 3 g h z ) 。按照作用距离，射频 识别系统可分为：紧密耦合( o 一1 c 珊) 、遥控耦合( 0 i r a ) 和远距离( l m ) 系统。 射频识别系统的另一个重要特征是应答器的供电方式。无源应答器的工作 距离较短，其自身没有电源，工作所需的能量全部从电场中获得：与此相反， 有源应答器工作距离较长，其包含一个电源，为微芯片的工作及保存数据提供 能量。 表1 1 从发射频率的角度上对p a s s i v er f i d 进行了分类并列出一些不同频 率r f i d 的特性。 第一章前言 表1 1p a s s i v er f i d 根据发射频率的分类及特性 f r e q u e n c y ，j | l f 懈! j 。，耋 u i t f 一 ? m i c r o w a v e b a n d ( l o wf m q e n c y )，( h l a hf r e q u e n c y ) 。l u 怕屠h i g h f 枷响 1 2 3 1 铒k h z1 3 5 6m h z _ 4 0 0 9 6 0 m h z 2 4 5 g h z & 5 8 g h z a m l p 封商掩i ya 怕掰b a n l f c h i p 圆中日妇蟾f j c t o s h o r t 婚硒n gr a n g e f 矗枘t o l a 呼s c a l e- f i 协枘l o l l 9 e s h o , l 糟a 劬a n ds j o w 传咖耳目e d m o d e l c h e a r 材玳翻l f & s c a l em o d e d 再科 s p e 酬r a r a - x ：j eb u th i g h a v a t a n er e a d i n gs e v e r a l i - f 蜘( n e e dn e wf a t ) 曲眵p n d 创1 i a 盯托mf r o m t a 9 童o n c e b u tr e q u i r e d p o c e s s ) - f a s ts p e e dd r e a , 鲡g m e t a lp r 找j u 吱 s h o td i s 抽n f a s ts t e e dr e a ( t n gr a n g e r a n g ec o m p a r a c , v 嘶 r d i n g 一0 _ 5 m- 1m - 3 m 一 0 m r a n g e ( a 嘶垤晦坤，0 1 0 0 m ) - p a s s r 忙t a g ，p a s s n , e l a g ，i n c k - 西v e 盯 a 函v e t 均，b a 恤吖 a c t i v el a g ，b a t t e r y t 柏p 洲盯一p a s s i v e i a g ，钧p j m ， p a s s h e t a g ， i n d u c t e ec o u p 呐 曲p ； 石钾e u p l 嘲 “l p a 缅v e 。e - f , e k ：l e - f i e 蚓珥妇9 u p l i n g a c c e s sc o , l b o i ， 掣h a l 蛐n g ， a s s e tc o n e d l j v e 叫 s c 驵e t c 。e t ce t c c v o t p m s 舭 a p p 儡r 廿o n v e h i r 3 e 辆期枷i z 郴 m 了国g 研n e r 哇酿c - 默o g l o b 捌 i s 0i s o s 拓r i d a i z a 石o nf o re 3 c h d i f e 眦艳删o g y s 协n d a r d i d u s 打vf r o me a 喧d r d d l j c l 1 3 1r fd 发展历程 第三节研究现状 r f i d 技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空 中作战行动中进行敌我识别。从历史上看，r f i d 技术的发展基本可按1 0 年期划 分为以下几个阶段：畸卜。 1 9 4 1 年一1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托 克曼发表了“利用反射功率的通讯”，从而奠定了r f i d 的理论基础 1 9 5 1 年一1 9 6 0 年，早期技术的探索阶段，主要工作集中在实验室里的实验 研究。 1 9 6 1 年一1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，人们开始了一些应用性的尝 试。 1 9 7 1 年一1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术测试加速发展，并出现了一些最早的技术的应用。 第一章前言 1 9 8 1 年- - 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品逐渐开始商业应用，各种规模应用开始出 现。 、 1 9 9 1 年- - 2 0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛采用，r f i d 技术标准化问题开始引 起重视，产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 1 年至今，r f i d 技术的理论得到进一步丰富和完善。r f i 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 i d 的标准化问题日趋为人们所重视。脚叫1 2 1 1 3 2r fid 技术研究热点 在射频识别标签技术的研究方面，当前主要集中在天线设计、降低标签成 本、标签芯片低功耗设计等方面。【1 标签天线与阅读器天线分别承担着接受能量和发射能量的作甩。由于应用 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。因此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研究天线结构和环境因素对天线性能的影响以及减 小天线尺寸上，出现了分型天线、片上天线等研究。 r f i d 标签成本是其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。根据a r c 顾问集团调查，2 0 0 3 年被动式 肝频段标签的平均价格为9 1 美分，u h f 频段标签的平均价格为5 7 美分。随着 集成电路技术的进步和应用规模扩大，r f i d 标签的成本将不断降低。根据a r c 顾问集团预测，到2 0 0 8 年，被动式h f 频段标签的平均价格将下降至3 0 美分， u h f 频段标签的平均价格将下降至1 6 美分。现有许多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) ，众所周知，随着微电子技术的飞速发展，c m o s 工艺已经能够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。以c m o s 工艺制造的无线系统将会有更加低的制造成本，因此如何设 计出与低成本c m o s 工艺兼容的r f i d 标签也是现在研究的热点。 标签芯片的功耗大小直接影响到标签的识别距离，现有r f i d 标签芯片研究 中通过许多电路设计技术来降低标签芯片各模块电路功耗，如亚阂值电路、异 步电路、绝热电路、高效率肖特基整流电路、低功耗非易失存储器设计等n 幻n 小删。 5 第一章前言 如何设计出功耗低适用于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 3r fid 技术的标准化 r f i d 的标准化是当前亟需解决的问题，各国及相关国际组织都在积极推进 r f i d 技术标准的制定。嘲到目前为止，还没有形成完善的国际和国内标准。r f i d 的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等多个部分。其中 标识编码规范包括标识长度、编码方法等；操作协议包括空中接口、命令集合、 操作流程等规范。 在国际上，主要的射频识别技术标准为i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准，欧美的 e p c 规范以及日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ) 规范。这三个标准并不兼容，主要 差别在通讯方式、防冲突协议和数据格式三方面。这三个标准都按照r f i d 的工 作频率分为多个部分，其中，处于8 6 0 1 唧z - - 9 6 0 m h z 内的删f 频段的产品因为工 作距离远且可能成为全球通用的频段而备受重视，发展最快。 我国有关政府部门已经充分认识到r f i d 产业的重要性，在2 0 0 4 年初正式 成立了电子标签国家标准工作组，其目的就是制定中国自己的r f i d 标准，推动 中国r f i d 产业的进展。2 0 0 7 年4 月2 0 日，信息产业部发布了( 8 0 0 姗z 9 0 0 m h z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用规定( 试行) ，对我国u h f 频段r f i d 无线发射 设备的工作频率、发射功率、占用带宽、频率容限、邻道功率泄漏比、工作模 式、杂散发射限值以及传导骚扰发射等射频指标作了详细的规定。嘲 第四节本文研究内容与贡献 本文的研究内容是无源超高频射频电子标签芯片的射频前端电路，包括如 下几个方面： 1 、对标签芯片的射频前端电路中关键部分能量提取电路进行了深入研究。 能量提取电路由天线和倍压整流电路组成。因此，我们首先对于n 级倍压整流 电路的的结构和工作原理进行了分析。文章对于使用肖特基二极管倍压整流电 路进行建模，使用数学建模的方法揭示了倍压整流电路输入与输出各个参数之 间的关系。文章在前人研究的基础上对于肖特基二极管的模型进行了线性的近 6 第一章前言 似，提出了一种更加简单直观的关于倍压整流电路的数学模型，在保证模型足 够精度的同时极大的简化了模型的复杂程度。为了验证模型的有效性，我们使 用0 3 5 u r nc m o s 工艺实际设计了两个的倍压整流电路，在文章的最后把测试结 果与使用模型计算的结果相比较。测试结果表明本文提出的模型能够正确反映 倍压整流电路的特性的。 2 、利用本文提出的模型，我们可以很快地揭示倍压整流电路的输入与输出 特性，对于倍压整流电路的级数n 进行优化，以获得最大的能量转化效率，避 免瞬态分析所需要大量时间的缺点。同时，我们把本文提出的倍压整流电路的 模型应用到能量提取电路的分析中。由于在实际应用中，天线与倍压整流电路 之间需要在一定带宽范围内实现阻抗匹配，根据b o d e - f a n o 定理，我们对于理 论上能量提取能够工作的最远距离进行了研究。 3 、本文还对于射频前端电路的调制和解调模块进行了研究。对于调制电路 的调制类型进行了理论分析，并比较总结了射频识别电子标签常用的调制类型 的优缺点。对于解调电路结构的种类和性能指标进行了分析与总结。 4 、对于模拟射频前端的整体系统进行研究和分析，针对超高频射频设别卡 的低功耗设计要求，从电源模块的结构和具体电路特点出发，提出一种适合超 高频射频电子标器低功耗应用的电源供给解决方案。文章对于射频前端电路的 每一个模块都给出实际电路设计方案，并给出了模拟射频前端电路实际流片测 试结果。 5 、利用本文电源供给方案和采用的基准基准电路的特点，本文提出了一种 带有工艺角和温度补偿的片上高精度振荡器电路。对于振荡器电路的特性给出 了实际测试结果。 总的来说，本文对于兼容i s 0 1 8 0 0 0 一6 b c 协议的无源超高频射频电子标签 进行了研究，研究的工作重点是模拟射频前端电路，研究工作围绕着如何设计 出更低功耗更、低成本的无源超高频射频电子标签芯片展开，对于能量提取电 路、调制和解调电路进行了系统的理论分析，对于射频前端电路的整体构架的 工作原理进行了研究和优化。在理论分析的基础上，进行了实际的电路设计和 流片，并且给出了模拟射频前端电路的流片测试结果。 7 第一章前言 第五节研究的目的与意义 基于电磁反向散射的超高频射频识别( u h fr f i d 技术是目前国际上射频识 别技术发展的热点，它能和现在的数字化移动技术相适应，可以实现自动识别 和远程实时监控和管理，具有读写距离远，读写速度快等优点。西方国家对超 高频射频识别的研究已经达到相当高的水平，我国则处于起步阶段，大多数技 术成果都是从国外引进，研究具有自主知识产权的超高频射频识别芯片成为我 国经济发展的必须。同时，二十一世纪是一个数字化时代，随着远程信息化网 络管理技术的发展，超高频射频识别技术必然在社会各个方面发挥越来越重要 的作用，成为一个新的经济增长点。因此本文选择超高频射频识别电子标签作 为研究题目，对于社会生活各方面有着重大的理论意义和现实意义。 第六节论文组织结构 本论文后面章节具体组织结构如下： 第二章“超高频射频识别系统的物理基础 ，首先从电磁场的基本关系着手， 通过麦克斯韦方程组解析电场和磁场间的相互关系，分析超高频射频识别系统 中应用的电磁场理论。其次从基本辐射单元模型分析天线的远近场工作模式。 然后分析了射频识别系统中的能量传输与能量反射以及协议标准。 第三章“超高频射频电子标签结构 ，本章首先对于超高频无源射频电子标 签的基本结构进行介绍，然后针对每一个模块的具体功能进行简单的分析与介 绍，为后面章节的进一步分析和讨论进行铺垫。最后，对于无源超高频电子标 签的设计难点进行了汇总和介绍。 第四章“射频前端能量提取电路的建模与分析 ，从n 级电压倍乘电路的分 析开始，在对于倍压整流电路建模的基础上，针对超高频射频识别卡的应用， 对于能量提取电路的特性展开分析和研究。文章在前人研究的基础上对于肖特 基二极管的模型进行了线性的近似，提出了一种更加简单直观的n 级倍压整流 电路的数学模型，在保证模型足够精度的同时极大的简化了模型的复杂程度。 利用模型很快地计算出倍压整流电路的输入与输出特性，克服了瞬态分析需要 大量时间的缺点。基于建立的模型，文章对于能量提取电路进行进一步的分析 8 第一章前言 与讨论，对于能量提取电路进行了优化，给出了能量提取电路工作的理论极限 工作距离。 第五章与第六章分别对于超高频射频识别芯片的调制和解调电路进行了详 细的分析与总结。 第七章“实际电路设计与系统构架 ，就模拟射频前端的整体系统进行研究 和分析，给出实际电路设计方案，并且对于剩余的模块进行分析和讨论，最终 使用兼容e e p r o m 的0 3 5 u m 标准c 湘s 工艺完成实际电路的设计。 第八章“测试结果，首先，通过试验的方法验证了第四章提出的模型的有 效性。然后，针对第七章实际设计的超高频无源电子标签芯片电路，给出模拟 射频前端电路的部分测试结果。 第九章“结论与展望 ，总结了本论文的工作，提出了文章的不足之处以及 今后进一步的研究方向。 。 9 第二章超高频射频识别系统的物理基础 第三章超高频射频识别系统的物理基础 无线通信传输的基础是电磁场。无线射频识别技术属于无线通信传输技术 之一，其信息交互的媒介自然也离不开电磁场n 帕埘。因此，对于射频识别系统 来说，阅读器与标签之间的数据传递在物理层是以电磁场理论为基础的n 3 。整个 链路包括基带数字信号的调制( 解调) 、编解码、防碰撞算法及协议标准。图2 1 为一个射频识别系统的示意图。 图2 1 射频识别系统示意图 电磁场是无形无色的，却是物质地存在于人类生活的空间。早在1 8 6 4 年， 英国科学家麦克斯韦( j g m a x w e u 1 8 3 1 1 8 7 9 ) 总结以往电磁学的实验和理论， 创立了电磁学的完整理论一麦克斯韦方程，从理论上预言了电磁波的存在，并 在1 8 8 7 年被赫兹所证实。 本章首先对电磁场理论进行回顾，然后介绍天线辐射理论，接着对超高频 射频识别系统的能量传输以及能量反射进行理论推导，最后对设计所用协议进 1 0 圉回曰 第二章超高频射频识别系统的物理基础 行介绍。通过本章的内容，使读者对于射频识别系统从物理层到应用层有大致 了解，为后面章节的射频识别系统标签芯片设计建立理论基础。 2 1 1 麦克斯维方程 第一节电磁场理论 无线通信中，信息通过电磁波进行传输，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，则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， 在空间中就有一系列的电场和磁场效应。麦克斯维方程描述了每一点上每个时 刻的电场和磁场情况。交变的电磁场用矢量方程的微分形式表示为【1 6 】1 1 7 】： v x h ：了+ 丝 ( 2 1 ) 娶 v x e 之一塑 ( 2 2 ) 砑 v 荟= o ( 2 3 ) v 一d = p ( 2 4 ) 其中，( 2 1 ) 是全电流定律，( 2 2 ) 是电磁感应定律，( 2 3 ) 是磁通连续 性原理，( 2 4 ) 是高斯通量定理。 罾为电场强度，单位为v m ；西为电位移矢量，单位为c m z ； 万为磁场强度，单位为a m ；否为磁感应强度矢量，单位为t ； 了为体电流密度，单位为a m 3 ；p 为体电荷密度，单位为c m 3 ； 对于线性各向同性媒质： v x h = j + j t o c e v x e = - j 国p h v h = 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章超高频射频识别系统的物理基础 v e = p l s ( 2 8 ) 其中，= 鳓以，f = 6 0 s , ，以，岛称为媒质的相对磁导率和相对介电常数。 对于自由空间有：五= 氏营，否= 风西，z ，= l ，6 r - 1 。风= 4 l rx 1 0 。h i m ， 氏= 筹胁。 v 了+ 望= 0( 2 9 ) 研 式( 2 9 ) 为电流连续性方程。 电磁场做正弦变化时，假定电磁场与时间的变化关系为p 归，可以写出麦克 斯韦方程及电流连续性方程的复数形式： v x h = j + j m d ( 2 1 0 ) v x e = - j c o b v 丑= 0 v d = p v j + j c o p = o ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 连续性方程与麦克斯韦方程一起构成了电磁场的基本理论。麦克斯韦方程 表明了电磁场和他们的源之间的全部关系，除了真实电流外，变化的电场( 位 移电流) 也是磁场的源；除电荷外，变化的磁场也是电场的源。 2 1 2 坡印廷定理及坡印廷矢量 时变电磁场中的一个重要现象就是电磁能量的流动，因为电场能量密度随 电场强度变化，磁场能量密度随磁场强度变化，空间各点能量密度的改变会引 1 2 第二章超高频射频识别系统的物理基础 起能量流动n 町。 ( 1 ) 坡印廷定理： 设线性且各向同性的媒质内无外加源，媒质的参数均不随时间变化。则电 磁场中能量关系的坡印廷定理可表示为： 一争云耳) 豳= 丢，三芷2 + 三脾2 ) 出+ 户2 d f = 丢( 形+ 既) + 只( 2 朋， b 一睁瓢舔彤蔓砌f ，既一户丢础f ， 其中，足表示穿过闭合面s 进入体积内的功率，只表示体积内变为焦耳热的功 率，兰( 形+ ) 表示体积内每秒电场能量和磁场能量的增加量。 甜 ( 2 ) 坡印廷矢量： 坡印廷矢量又称为电磁能流密度，其大小表示单位时间内穿过与能量流动 方向相垂直的单位表面的能量，方向为电磁能传递的方向，其意义是电磁场中 某点的功率密度。电磁波中e 和h 都随时间迅速变化，但是在坡印廷矢量和电 场强度与磁场强度之间存在一种固定的关系，即e 总是垂直于h ，在矢量e 和h 之间展开的平面构成波前，并垂直于传播方向，因此电磁波的瞬时能流密度s 等于e 和h 矢量积，即： s = e h 根据电磁波的e 和h 及传播方向构成的右旋系的性质可以看出， 能流密度矢量s 总是沿着电磁波的传播方向即能量总是向前传播的脚 表示了三者之间的关系。 ，、 的心 、| u 2 1醒 r_pl 2 趁匿篇 第二章超高频射频识别系统的物理基础 一 r、 多，7 钐v 一v 只7 图2 2 作为e 和h 矢量积的坡印廷矢量 实际中更为重要的是它在一个周期的平均能流密度，可以表示为： i ：昙昂凰 ( 2 1 7 ) 2 ” u 其中e o 和h o 是e 和h 的振幅。 第二节天线辐射理论 在超高频射频识别系统中，阅读器通过天线将电磁波发射到空间并将能量 与信息传递给标签，而标签则通过天线从所处的电磁场中获取能量与信息并将 自身信息通过调制反射从天线返回。为了方便的理解超高频射频识别系统 中阅读器与标签之间的电磁场连接关系，本节将简单介绍一些天线的辐射理论。 2 2 1 天线的近场区及远场区 实际应用中的天线，一般可认为是由若干电流元和磁流元所构成。电流元 是长度刃 1 ( 或， 兰) 时，电流元的电磁场主要由，- 1 项决 z 7 定，化简式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 可以有远场的电磁场表达式为： 1 6 第二章超高频射频识别系统的物理基础 可见，远场区中只有磊和玩两个分量，两者在时间上同相位，在空间上相 互垂直，因此，坡印廷矢量为实数，并指向，方向，这说明远区内沿失径方向传 播的电磁波占绝对优势，电磁场沿失径方向向外传播且不再返回，也就是说在 远场区电磁场通过电磁波向外辐射能量。这种场称为辐射场，该场区成为辐射 场区。由于在超高频射频识别系统中，波长较短，电磁能量的传播在远场中完 成，因此超高频射频识别系统工作在远场模式，通过电磁辐射的方式完成能量 传递。1 3 2 2 2 天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是在天线输入端所呈现的阻抗，定义为天线输入端的电压 与电流之比。通常天线的输入阻抗是一个复数n 妇，即： z 岍= r 岍1 x 悄 ( 2 2 3 ) 式中：置舸为天线输入阻抗的实部，它通常包括辐射电阻天，和损耗电阻彤。损 耗电阻彤是一种有效电阻，它以欧姆电阻方式来描述对整个天线的能量总损耗， 只是这种功耗转换成热能而已。辐射电阻彤也是一种有效电阻，它表示在该电 阻中转换的功耗等于从天线以电磁波的形式向空间辐射的功率。z 岍是天线输 入阻抗的虚部，称为输入电抗。 在工作频率( 即天线的谐振频率) 时，天线的输入电抗x 赫为0 。 对于无损耗的天线( r 矿= 0 ) 来讲，有：乙耵= 尽+ 胛 一种理想的天线在谐振的情况下，其输入阻抗是斗种实电阻且其值为辐射 电阻r r ，对于九2 的偶极子天线而言，辐射电阻r r - 7 3 欧姆n 3 。图2 4 所示为 应答器天线的等效电路。 1 7 咿 伊 秒 l 引 旧 跚 m 础一沈弛一咖诺瑚瓦 易 4 第二章超高频射频识别系统的物理基础 磊 d i p o l e t r a n s p o n d e r ； a n t e n n a 图2 4 应答器天线的等效电路图 反映天线阻抗特性的参数是反射系数i 或驻波比p 。两者形成过程与定义 为：在天线的馈线上，l 和i 均会有入射行波和反射行波。两个相反方向的行波 叠加将形成驻波。对于一个驻波来说，为了衡量相反方向的两个行波的大小和 相位关系，就用反射系数r 和驻波比p 来表示。他们的定义分别为： 况。 r = 甓篆嚣一- - 2 丽z a n t - - z o u 汜2 4 ， 入射波电压或电流 一 z 州，+ 乙 一7 p = 糕鬟= 研u - + u - 汜2 5 ， 电压或电流波的最小值 f u f i u i 一7 式中z 0 为馈线的特性阻抗。口0 如果没有反射波只有入射波，p = 1 ，这是全匹配的情况。 如果反射波的波幅与入射波的波幅相等时，p 趋于无穷，这是全反射的情 由式( 2 2 4 ) 和式( 2 2 5 ) 可以推出驻波比与反射系数的关系： i + 州 胪端纠 q 2 6 r f 景 ( 2 2 7 ) 第二章超高频射频识别系统的物理基础 天线馈线上的驻波比与反射系数是反映天线辐射效率的重要指标。在天线 设计中，可以通过测量驻波比来调整优化天线的连接匹配。跚嘲 第三节射频识别系统中的能量传递 超高频射频识别系统中，阅读器天线和标签天线主要通过电磁波辐射来传 递能量，本节主要介绍从阅读器天线到标签天线的能量传递。首先介绍一下能 量传递过程中所用的天线的一些基本参数，然后介绍能量传递原理。 2 3 1 能量传递过程中的基本参数 l 、天线方向函数f ( 8 ，矽) 任何一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性，就是在相同距离的条 件下天线辐射场的相对值与空间方向( 子午角秒、方位角汐) 的关系。天线方向 函数就是表征天线在不同方向上辐射或接收的相对能量的函数。嘲 2 、天线增益g ( 护，9 ) 天线增益表示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 向上的辐射功率密度s 一和理想无方向性天线的辐射功率密度& 之比。可以表 达为： 咖，寺b = 警 汜2 8 ， 式中：u ( 只力为在 伊) 方向上每单位立体角的辐射功率，兄和乞。分别为 实际天线和理想无方向性天线的输入功率。 3 、有效均质辐射功率p e l 即( e i r p - - e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 从某点辐射的电磁波在空间构成一个球形，同时，通过电磁波能够向周围 辐射能量，随着与辐射源的距离增大，其能量分布到更大的球形表面上。从一 个均质发射器辐射的有效均质辐射功率以球面的方式随着距离r 完全均匀的分 布，“3 故可求得均质发射器的有效均质辐射功率p e 。p 为： = 妊 1 9 ( 2 2 9 ) 第二章超高频射频识别系统的物理基础 如果天线在不同的方向上以不同的强度辐射功率时，那么式( 2 2 9 ) 只能 满足天线从极化方向上的辐射功率密度s 大于采用均质辐射器辐射功率的情况。 在无线电技术中，有效均质辐射功率为： = p g ii l e l r p l ? ( 2 3 0 ) 其中p 。为天线馈送功率，也即阅读器发射功率：g 。为天线增益。 4 、等效辐射功率p 西( e r p - - e q u i v a l e n tr a d i a t e dp o w e r ) 等效辐射功率p b 不涉及到球形辐射器，只与偶极子天线有关。e r p 的性能 参数表示，应以多大的发射功率来对偶极子天线供电，以能够在规定的距离r 内产生规定的辐射功率。由于偶极子天线的增益g i - - i 6 4 已知，故两者之间的 关系为：p e i 一= p 哪水1 6 4 。 5 、辐射功率密度s 辐射功率密度表