基于無(wú)源超高頻UHF RFID應(yīng)答器芯片的射頻電路設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別(radio frequency idenlificaTInn，RFID)是20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)具有多種條形碼技術(shù)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍十分廣泛，可應(yīng)用于第二代公民身份*、城市一卡通、金融交易、供應(yīng)鏈管理、電刊文費(fèi)(ETC)、門禁控制、機(jī)場(chǎng)行李管理、公共運(yùn)輸、集裝箱識(shí)別、畜牧管理等，因此，掌握制造RFID芯片的技術(shù)變得非常重要。目前，日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求對(duì)RFID芯片提出了更高的要求，要求其容量更大，成本更低，體積更小，數(shù)據(jù)速率更高。根據(jù)這種情況，本文提出了一種長(zhǎng)距離、低功耗的無(wú)源超高頻UHF RFID應(yīng)答器芯片射頻電路。

RFID常用工作頻率包括低頻125kHz、134.2kHz.高頻13.56MHz，超高頻860～930MHz，微波2.45GHz，5.8GHz等。因?yàn)榈皖l125kHz、134.2kHz，高頻13.56MHz系統(tǒng)以線圈作為天線，采用電感禍合的方式，其工作距離較近，一般不超過(guò)1.2m，帶寬在歐洲及其他地區(qū)限制為幾千赫茲。但超高頻(860～93Uh1Hz)和微波(2.45GHz，5.8GHz)可以提供更遠(yuǎn)的工作距離，更高的數(shù)據(jù)速率，更小的天線尺寸，因此成為RFID的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

本論文提出的射頻電路芯片采用支持肖特基二極管和電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)的Chartered 0.35μm 2P4M CM0S工藝進(jìn)行流片。肖特基二極管具有較低的串聯(lián)電阻和正向電壓，在將接收到的射頻輸入信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為直流電源供電時(shí)，能夠提供較高的轉(zhuǎn)換效率，從而降低功耗。在有效全向輻射功率(EIRP)為4W(36dBm)且天線增益為0dB的情況下，該射頻電路芯片工作在915MHz，其讀取距離大于3m，工作電流小于8μA。

1 射頻電路結(jié)構(gòu)

圖1是UHF RF1D應(yīng)答器芯片系統(tǒng)圖，其主要包含了射頻電路、邏輯控制電路和EEPROM。其中，射頻電路部分又可以分為以下幾個(gè)主要電路模塊：本地振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路、上電復(fù)位電路、電壓參考源、匹配網(wǎng)絡(luò)和反向散射電路、整流器、穩(wěn)壓器以及幅度調(diào)制(AM)解調(diào)器等。其中除天線外無(wú)外接元器件，天線部分采用偶極子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)與整流器的輸入阻抗進(jìn)行匹配，作為整個(gè)芯片的唯一能量來(lái)源。其等效模型如圖2所示。偶極子天線阻抗的實(shí)部由Rra和Rloss，兩部分組成，其中Rra為偶極子天線的輻射阻抗，是偶極子天線固有的，一般為73Ω，它表征天線對(duì)外輻射電磁波的能力;Rloss為制作天線所用金屬帶來(lái)的歐姆電阻，一般只產(chǎn)生熱量。天線阻抗的虛部X一般為正值，這是因?yàn)樘炀€一般來(lái)說(shuō)總是對(duì)外呈現(xiàn)電感性，此等效電感的大小一般取決于天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基板材質(zhì)。整流器將耦合到的射頻輸入信號(hào)功率轉(zhuǎn)換成芯片所需的直流電壓。穩(wěn)壓器則將該直流電壓穩(wěn)定在一定的電平上，并限制該直流電壓的幅度以保護(hù)芯片不會(huì)因電壓過(guò)高而擊穿。AM解調(diào)器用于從接收到的載波信號(hào)中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。反向散射電路通過(guò)可變電容來(lái)改變射頻電路的阻抗，從而將應(yīng)答器數(shù)據(jù)發(fā)送到RFID詢問(wèn)器或讀卡器。上電復(fù)位電路用于產(chǎn)生整個(gè)芯片的復(fù)位信號(hào)。與13.56MHz的高頻(HF)應(yīng)答器不同，915MHz的UHF應(yīng)答器不能從載波中分頻得到本地時(shí)鐘，而只能通過(guò)內(nèi)建一個(gè)低功耗的本地振蕩器為數(shù)字邏輯電路部分提供時(shí)鐘。所有這些電路模塊將在下文中逐一詳細(xì)說(shuō)明。

圖1 UHF RF1D應(yīng)答器芯片系統(tǒng)圖

圖2 應(yīng)答器天線的等效電學(xué)模型

2 電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 整流器和穩(wěn)壓器電路

本論文采用肖特基二極管組成的Dickson電荷泵作為整流器電路，其電路原理圖如圖3所示。這是因?yàn)樾ぬ鼗O管具有較低的串聯(lián)電阻和結(jié)電容，在將接收到的射頻輸入信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為直流電源供電時(shí)可以提供較高的轉(zhuǎn)換效率，從而降低功耗。全部肖特基二極管均通過(guò)poly-poly電容連接在一起，其中縱向電容在輸入電壓Vin的負(fù)半周期進(jìn)行充電、儲(chǔ)能，而橫向電容在Vin的正半周期進(jìn)行充電、儲(chǔ)能，從而產(chǎn)生直流高電壓，其產(chǎn)生的電壓為：

VDD=n·(Vp，RF-Vf，D)

其中Vp，RF是輸入射頻信號(hào)的幅度，Vf，D是肖特基二極管的正向電壓，n為所采用電荷泵的級(jí)數(shù)。

圖3 整流器電路圖

圖4是穩(wěn)壓器的電路圖。該電路是要將整流器輸出的直流電壓穩(wěn)定在一定的電平上，并為整個(gè)應(yīng)答器芯片提供穩(wěn)定的工作電壓，來(lái)保證不會(huì)由于應(yīng)答器芯片物理位置變化引起直流電壓幅度的改變，避免可能導(dǎo)致的芯片擊穿，從而起到保護(hù)應(yīng)答器芯片的作用。該電路采用了自偏置的Cascnde結(jié)構(gòu)，之所以選擇該電路結(jié)構(gòu)是因?yàn)镃ascnde結(jié)構(gòu)存在共柵管的隔離作用，使其具有很好的抑制電源波動(dòng)的能力，從而提高電源抑制比(PSRR)，保證兩個(gè)支路電流的基本穩(wěn)定。其中Q1與Q2的面積比為1∶8。此外，與一般的HF RFID應(yīng)答器不同，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了具有低壓?jiǎn)?dòng)電路的低功耗電壓參考源，以降低芯片的整體功耗

圖4 穩(wěn)壓器電路圖