超高頻遠距離無(wú)源射頻接口電路設計方案

　1 引言

　　射頻識別技術(shù)廣泛應用于交通運輸、動(dòng)物識別、過(guò)程控制、物流等方面。早在1990年代，13.56MHz的射頻標簽就應用于社會(huì )生活的各個(gè)領(lǐng)域。

　　近年來(lái)，915MHz以及2.45GHz等UHF波段的射頻標簽由于工作距離遠，天線(xiàn)尺寸小等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視。射頻標簽芯片的射頻接口模塊包括電源恢復電路、穩壓電路和解調整形電路。射頻接口的設計直接影響到射頻標簽的關(guān)鍵性能指標。

　　本文對射頻標簽能量供應原理進(jìn)行了詳細的理論分析，并完成了電源恢復電路、穩壓電路和解調整形電路的設計。

　　2 原理分析

　　2.1 電源恢復

　　無(wú)源射頻標簽依靠讀寫(xiě)器發(fā)射出的電磁波獲取能量。標簽芯片獲得的能量與很多因素都有關(guān)系，例如空間環(huán)境的反射，傳播媒介的吸收系數，溫度等。在理想自由空間，連續載波的情況下，有下面的近似公式：

　　式中，Ptag_IC是芯片接收到的能量，Preader為讀寫(xiě)器發(fā)射功率，Gtag是標簽天線(xiàn)增益，Greader是讀寫(xiě)器天線(xiàn)增益，R為標簽到讀寫(xiě)器的距離。

　　可以看到，標簽接收到的功率主要和距離與載波頻率相關(guān)，隨距離的增大迅速減小，隨頻率的增加而減小。PreaderRreader也稱(chēng)為EIRP,即等效全向發(fā)射功率。它受到國際標準約束，通常在27~36dBm左右。例如，按照北美標準，讀寫(xiě)器等效發(fā)射功率EIRP應小于4W,即36dBm。在自由空間中，915MHz的信號在4m處衰減為43.74dB。假設標簽天線(xiàn)增益為1.5dBi,則在4m處無(wú)源射頻標簽可能獲得的最大功率只有約-6.24dBm,238W。利用標準的偶極子天線(xiàn)，在915MHz天線(xiàn)端能夠獲得的電壓約200mV。在如此低的輸入信號幅度下，采用普通全波或半波整流電路無(wú)法獲得所需的直流電壓，因此需要采用倍壓結構的電源恢復電路。

　　倍壓結構的電源恢復電路如圖1所示。圖中的二極管在實(shí)際應用時(shí)通常用MOS管替代。輸入正弦交流信號RFin=VAsint。在RFin負半周期時(shí)，M0導通，C1充電。C1兩端能夠獲得的最大電壓為VA-Vd,其中，Vd為MOS管M0兩端的電壓降。

　　RFin正半周期時(shí)，節點(diǎn)1的最大電壓為VA+（VA-Vd）。該電壓使得M1導通，C2充電，直到C2兩端達到最大電壓，即節點(diǎn)2的最大電壓，為VA+（VA-Vd）-Vd=2（VA-Vd）。依次類(lèi)推，C3兩端能夠獲得的最大電壓為3（VA-Vd），節點(diǎn)4的最大電壓為4（VA-Vd）。節點(diǎn)2N的最大電壓為2N（VA-Vd）。于是，對于2N級電路，輸出直流電壓為：