UHF RFID標簽電路設計

工作在125或134kHz低頻(LF)或者13.56MHz高頻(HF)范圍內的電感回路無(wú)源RFID系統，其工作距離僅限于大約1m的范圍。UHF RFID系統工作在860~960MHz以及2.4GHz的工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段。其具有更長(cháng)的工作距離，對無(wú)源標簽而言典型工作范圍為 3~10m。標簽從閱讀器的射頻信號接收信息和工作能量。如果標簽在閱讀器的范圍內，就會(huì )在標簽的天線(xiàn)上感應出交變的射頻電壓。該電壓經(jīng)過(guò)整流后為標簽提供直流(DC)電源電壓。通過(guò)調制天線(xiàn)端口的阻抗來(lái)實(shí)現標簽對閱讀器的響應。這樣一來(lái)，標簽將信號反向散射給閱讀器。

閱讀器通過(guò)位速率范圍在26.7至128kbps之間的雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)或者反相幅移鍵控(PR-ASK) 調制來(lái)實(shí)現對射頻載波的調制，將信息發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)標簽。采用脈沖間隔編碼(PIE)格式來(lái)實(shí)現調制。此時(shí)，數據通過(guò)對載波在不同的時(shí)間間隔進(jìn)行脈沖編碼來(lái)表示0或1b，并將其發(fā)送給標簽。通過(guò)頻帶分配和數據協(xié)議的標準化，EPC-Global最先通過(guò)統一世界范圍內的不同系統來(lái)降低整體成本。這一行動(dòng)將采用相對廉價(jià)的CMOS技術(shù)來(lái)抵消設計新的復雜IC所產(chǎn)生的高昂費用。

采用更新的工藝節點(diǎn)預計將減少芯片面積的20%。由于涉及到數量，降低系統成本的努力主要集中在無(wú)源標簽的單位成本。其目標是將成本降低一個(gè)數量級，減少到每個(gè)標簽僅幾美分。

無(wú)源標簽的調制不同于一般的射頻通信方案，這是因為閱讀器的信號還為標簽供電。在無(wú)源反向散射系統中，距離是通過(guò)標簽可以獲得的輻射功率由前向鏈路(閱讀器到標簽)來(lái)決定的。新式的Gen-2標簽的設計目標是將閱讀距離最大化，并同時(shí)實(shí)現與該協(xié)議的兼容。距離方程(公式1)決定了理論距離，此時(shí)標簽將接收到足夠的電源來(lái)對閱讀器做出響應。

其中，EIRP=有效各向同性輻射功率、P_tag=標簽天線(xiàn)輸出所要求的功率、G_tag=標簽天線(xiàn)增益、λ=射頻載波的自由空間波長(cháng)。

關(guān)閉閱讀器電源減少了標簽所獲得的電源。由于該調制方案中信號在大部分時(shí)間處于其最大值，因此具有極大優(yōu)勢。然而這種調制效率極低。這導致相對寬的信道或低的數據速率。

每個(gè)EPC Class 1 Gen 2指標，閱讀器傳輸的功率高達4W EIRP。在950MHz的載波頻率下，信道損耗在3m距離處是36.9dB。那么，標簽天線(xiàn)的功率是-0.88dBm。

在這一少量的可用功率和低直流功率轉換效率(整流器效率平均約為20%)下，CMOS標簽電路一般工作在僅幾微安電流的一伏特電壓下。由于無(wú)源RFID標簽必須具有低成本并節省功耗，將標簽設計為采用相對簡(jiǎn)單的幅度調制(AM)技術(shù)來(lái)實(shí)現從閱讀器接收信號。UHF RFID標簽模擬前端包括了幾個(gè)內部模擬子模塊。該模擬前端實(shí)現了DC電源、接收信號檢測/解調制和發(fā)送調制等全部的模擬處理。圖1中的模塊圖表示了典型 UHF RFID標簽的模擬前端以及數字狀態(tài)機。

整流器通過(guò)天線(xiàn)將接收到的射頻能量轉換為DC電源，為所有的其他模塊供電。接下來(lái)是作為電壓調節器的穩壓器，其限制并調整了由整流器產(chǎn)生的電壓。復位子模塊提供了復位信號，來(lái)表明經(jīng)過(guò)整流的電壓已經(jīng)達到了可靠的和規定的水平。就其本身而言，包絡(luò )檢測器檢測并解調制閱讀器的數據信號，還產(chǎn)生數字解調信號。環(huán)路振蕩器產(chǎn)生用于數字狀態(tài)機的時(shí)鐘。調制器通過(guò)改變天線(xiàn)端口的負載阻抗將調制信號調制到標簽天線(xiàn)。所有模擬前端電路通過(guò)Ansoft的Nexxim電路仿真器采用Cadence Virtuoso設計環(huán)境以及TSMC 0.18μm標準CMOS工藝庫進(jìn)行仿真。

為了將足夠低的輸入電壓轉換達到可能滿(mǎn)足CMOS電路工作的電壓，圖2中的整流器模塊采用具有倍增級聯(lián)單元的級聯(lián)Dickson電壓倍增電路。該設計基于采用二極管連接、最小柵長(cháng)PMOS晶體管的四級電荷泵作為整流器。這些PMOS晶體管的襯底端被連接到柵和漏端(反向偏置)，以此來(lái)減少有效的閾值電壓。通過(guò)采用 Nexxim的諧波平衡仿真進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)獲得該晶體管的尺寸和金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的值。整流器的輸出直接提供給電壓調節器。

通過(guò)在穩壓器電路之后采用電壓限幅器來(lái)實(shí)現電壓調節。該限幅器電路確保了電壓調節器的輸入電壓水平低于3.3V晶體管的擊穿電壓。該電壓調節器包括了啟動(dòng)和自偏置電路、帶隙參考電路以及電壓調節器。該穩壓器的輸出電壓水平被設為1.25V，這將是數字電路以及其他模擬電路的電源電壓。仿真表明穩壓器的靜態(tài)電流消耗小于200nA。當電荷泵電路產(chǎn)生的電源電壓足夠高時(shí)，復位信號變?yōu)椤暗汀睜顟B(tài)來(lái)初始化數字電路的狀態(tài)機。為了避免錯誤觸發(fā)，復位電路提供了必要的遲滯特性。

解調器和環(huán)路振蕩器

解調器是由快速電荷泵、峰值檢測器和比較器組成?？焖匐姾杀脵z測經(jīng)過(guò)ASK調制的射頻信號的包絡(luò )。此后，包絡(luò )由峰值檢測器作進(jìn)一步的處理后來(lái)獲得其緩慢變化的均值，該峰值檢測器是由二極管連接的 MOSFET和電容形成的。然后，包絡(luò )信號及其緩慢變化的部分相比較來(lái)產(chǎn)生數字格式的解調信號。該比較器如圖3中所示，其被設計為軌到軌共模輸入范圍滿(mǎn)足寬的標簽工作范圍。其遲滯輸入―輸出特性還使得其可以工作在噪聲環(huán)境下。環(huán)路振蕩器是按照Sundaresan等人報導的方式進(jìn)行設計的。作為標簽IC的時(shí)鐘產(chǎn)生器，該設計提供了4MHz的額定振蕩頻率。其對工藝和溫度的變化都不敏感。

調制器根據數字輸入信號來(lái)改變連接到天線(xiàn)的變容二極管的電容。通過(guò)調整電容，改變了天線(xiàn)的雷達截面(RCS)。閱讀器檢測到這些變化，使得反向散射信息可以在閱讀器一側被恢復。變容二極管通過(guò)隔直電容連接到天線(xiàn)端。通過(guò)變容二極管的電壓由圖3中間的反偏電流控制。該電流可以減慢電容改變的速度，因此反向散射調制信號可以滿(mǎn)足FCC輻射規范。

由整流器電路看過(guò)去的輸入阻抗主要是容性的。天線(xiàn)必須與這一容性輸入相匹配來(lái)將整流器從入射波吸收的能量最大化。由于對成本的敏感性，在天線(xiàn)實(shí)現阻抗匹配，而不是采用分立的集總元件是適當的。天線(xiàn)設計的目標是調整天線(xiàn)的尺寸以便其電抗與芯片的輸入阻抗的電抗諧振。在A(yíng)nsoft Designer中采用平面矩量法電磁場(chǎng)求解器對天線(xiàn)的行為進(jìn)行仿真。

圖4是標簽前端的輸入阻抗圖。其采用Nexxim的諧波平衡引擎在拉源阻抗的大信號條件下進(jìn)行仿真。功率轉換到標簽電路的最佳源阻抗在900MHz是Z_s=35+j155Ω，當實(shí)現天線(xiàn)設計時(shí)，Zs還是理想的輸入阻抗。采用達到Zs輸入阻抗的目標來(lái)實(shí)現優(yōu)化，以便可以從源(或天線(xiàn))傳輸最大的功率。最終的設計如圖5所示，其在整個(gè)UHF RFID頻段內平坦的阻抗響應下產(chǎn)生了Z_a=34.3+j155Ω的輸入阻抗。其還擁有1.95dB增益的寬全方向圖。

在全部必要的電路和天線(xiàn)設計之后，要花時(shí)間將所有模塊放入系統仿真器中來(lái)實(shí)現通信鏈路分析。在A(yíng)nsoft Designer中實(shí)現了兩個(gè)分離的系統平臺來(lái)完成鏈路測試。閱讀器到標簽(例如上行鏈路)和標簽到閱讀器(例如下行鏈路)測試平臺如圖6所示。在兩個(gè)實(shí)例中閱讀器都采用行為模型來(lái)實(shí)現。對于標簽到閱讀器的測試，也包括了在閱讀器一側的行為級PSK解調器，來(lái)恢復PSK反向散射調制信號。

EPCglobal協(xié)議提供了長(cháng)連續波(CW)脈沖來(lái)允許標簽在發(fā)送數據之前上電。以下的仿真結果表示了在引導CW發(fā)射期間的上電行為(圖7)。在深幅度調制(AM)的條件下可以觀(guān)察到電源電壓紋波?；謴秃蟮腜IE波如圖8中的綠線(xiàn)所示。

圖9表示了在標簽一側作為輸入的返回調制數據。如前所述，閱讀器通過(guò)RCS的變化接收反向散射的能量。盡管在閱讀器一側可以看到數據恢復，但其噪聲很大。所恢復的時(shí)序和脈沖周期與經(jīng)過(guò)調制的信號輸入極為相關(guān)。

本文提出了基于商用0.18μm CMOS工藝的EPC Global Class-1 Generation-2 UHF RFID標簽電路設計。采用標準晶圓廠(chǎng)庫器件和已建立的IC設計流程闡明了標簽模擬前端的設計和仿真，該模擬前端包括了整流器、電壓調節器、復位、解調器和調制器電路等。采用Nexxim來(lái)實(shí)現額外的諧波平衡和源拉仿真。文中所示的天線(xiàn)設計提供了與整流器輸入阻抗的共軛匹配。為了將所有這些方面組合在一起，頂層驗證組合了行為模型、HFSS天線(xiàn)系統模型以及Nexxim瞬態(tài)仿真。這樣，表明了該設計為上行鏈路和下行鏈路都提供了可靠的DC電源和解調后的信號(見(jiàn)圖10)。