無(wú)源UHF RFID標簽的低成本阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )設計

　引言

　　RFID(Radiofrequencyidentification)是近年來(lái)興起的一種發(fā)展迅速的自動(dòng)識別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達到識別的目的并交換數據。RFID作為快速、實(shí)時(shí)、準確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標準化的基礎，在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)有著(zhù)廣闊的應用前景。RFID技術(shù)已經(jīng)被世界公認為本世紀十大重要技術(shù)之一。

　　RFID標簽包含天線(xiàn)和芯片，二者均具有復數阻抗。對于無(wú)源標簽來(lái)說(shuō)，因為標簽工作所需功耗全部來(lái)源于讀寫(xiě)器發(fā)射的射頻能量，所以天線(xiàn)和芯片之間能否實(shí)現良好的匹配和功率傳輸，直接影響到系統功能的實(shí)現，也很大程度上決定了標簽的關(guān)鍵性能。

　　目前已有的阻抗匹配方法大都較為復雜，用于RFID芯片時(shí)標簽識別準確率較低，效果并不理想。文中提出了一種用于無(wú)源RFID標簽芯片的低成本阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的設計方法，該匹配網(wǎng)絡(luò )集成于標簽芯片內，結構簡(jiǎn)單，在標簽天線(xiàn)和芯片之間以及標簽和讀寫(xiě)器之間實(shí)現了最大的功率傳輸，改善了芯片性能并提高了讀寫(xiě)器對標簽反射信號的識別率。

　　1　RFID標簽阻抗匹配分析

　　1.1.1　RFID原理與標簽組成

常見(jiàn)的RFID系統主要由讀寫(xiě)器和標簽組成。讀寫(xiě)器向標簽發(fā)送射頻連續波(Continuous2wave，簡(jiǎn)稱(chēng)CW)，激活標簽芯片并將命令和數據調制到射頻電磁波中。處在讀寫(xiě)器電磁場(chǎng)范圍內的標簽通過(guò)倍壓整流電路將較小的輸入電壓提升到可供標簽芯片正常工作所需的電壓值，并將交流轉變?yōu)橹绷?；由于芯片輸入電壓變化范圍較大，導致輸出電壓不穩定，需要加入穩壓電路；標簽解調模塊從接收到的射頻連續波中解調出命令和數據，送到數字基帶模塊；數字基帶模塊按照協(xié)議，根據接收到的指令完成數據存儲、發(fā)送或其他操作[4]；返回數據時(shí)，標簽通過(guò)改變自身的阻抗改變天線(xiàn)的反射系數，將調制反射信號發(fā)回給讀寫(xiě)器。時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供芯片工作所需時(shí)鐘頻率，并通過(guò)讀寫(xiě)器發(fā)送的時(shí)鐘校準信息校準，實(shí)現時(shí)鐘同步；上電復位電路一方面對基帶處理器進(jìn)行復位，另一方面為調制反射電路提供使能信號。

　　圖1所示為RFID標簽系統的結構框圖，芯片包含射頻模擬前端、數字基帶和非易失性存儲器(NVM)三部分，其中射頻?模擬前端基本功能模塊包括：阻抗匹配、倍壓整流、調制、解調、穩壓、上電復位、時(shí)鐘產(chǎn)生等。

圖1　射頻識別標簽系統結構框圖
1.1.2　阻抗匹配分析

　　圖2所示是標簽的戴維寧等效電路，已被很多研究者用來(lái)解決各種天線(xiàn)問(wèn)題。其中射頻信號在天線(xiàn)上感應出的開(kāi)路交流電壓是Va，芯片輸入電壓是Vc，天線(xiàn)輸入阻抗Za=Ra+jXa，芯片輸入阻抗Zc=Rc+jXc。而芯片輸入阻抗的實(shí)部主要由倍壓整流電路和負載決定，虛部主要由倍壓整流電路、調制解調電路和ESD決定。Za和Zc都隨工作頻率的變化而變化，而且在實(shí)際應用中，不同的輸入功率下Zc的值也有差異。本文在輸入功率等于芯片正常工作所需最小功率的情況下，完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的設計。為了得到最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線(xiàn)共軛匹配。

圖2　RFID標簽等效電路圖
L型匹配是實(shí)現射頻到直流高效率轉換時(shí)使用的一種阻抗匹配方法，通過(guò)串聯(lián)的電感和芯片中的電容諧振的方法，達到匹配的目的。對于RFID標簽芯片來(lái)說(shuō)，在很小的面積內集成電感是不現實(shí)的。因此，通過(guò)下文的方法對芯片的輸入阻抗進(jìn)行修正，達到利用電感La進(jìn)行L型匹配的目的。

　　兩個(gè)具有復數阻抗的器件直接相連的情況下，接口處復功率波反射系數定義為s，應用于RFID標簽可得：

　　芯片在和天線(xiàn)阻抗共軛匹配(狀態(tài)0)和失配(狀態(tài)1)時(shí)對應的輸入阻抗分別為Zc0和Zc1，通過(guò)阻抗修正，天線(xiàn)阻抗的虛部被加入芯片內，修正后的天線(xiàn)阻抗只保留了實(shí)部Ra，如圖3所示。芯片的輸入電壓可由公式(3)計算：

　　由于無(wú)源RFID芯片工作所需能量完全來(lái)自于空間電磁場(chǎng)，所以輸入電壓Vc具有足夠高的值是倍壓整流電路能夠開(kāi)啟并提供正常工作電壓的關(guān)鍵，也是決定標簽工作性能的重要參數。

　　RFID標簽的RCS(雷達散射截面)是芯片輸入阻抗的函數，由經(jīng)典的雷達方程可得RCS的值：

　　其中K是波長(cháng)，G是標簽天線(xiàn)增益，兩種芯片輸入阻抗狀態(tài)下對應的不同的RCS值可以讓讀寫(xiě)器從調制反射信號的幅度上分辨標簽發(fā)送的數據。矢量微分RCS更進(jìn)一步讓讀寫(xiě)器探測到調制反射信號的相對相位特性。以△Ｖ來(lái)標注該矢量的模：

　2　提出的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )

　　2.1.1　原理分析

當標簽工作在923MHz頻帶，芯片處于最小輸入功率，未調制狀態(tài)的情況下，使用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò )分析儀實(shí)測未加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的芯片輸入阻抗為22-j106歐。根據芯片輸入阻抗特點(diǎn)，選用Q值較大的標簽天線(xiàn)。天線(xiàn)的輸入阻抗為15+j88歐，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的設計如圖4所示，其中La=1512nH。

　　開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)時(shí)，芯片處于狀態(tài)0。在圖5所示的從標簽芯片輸入阻抗到天線(xiàn)的共軛阻抗的匹配路徑上，點(diǎn)1處阻抗為22-j106歐；并聯(lián)電容Ccm后與158等電阻圓交于點(diǎn)2，阻抗為15-j888；再串聯(lián)電感La到達點(diǎn)3，其阻抗為158，與修正過(guò)后的天線(xiàn)阻抗Ra共軛匹配。經(jīng)計算可以得到Ccm=340fF。

　　天線(xiàn)和芯片接口處沒(méi)有復功率波反射，芯片和天線(xiàn)的共軛匹配使天線(xiàn)將從空中接收到的射頻能量的一半傳遞給芯片，達到功率傳輸的最大化。開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，芯片處于狀態(tài)1。圖6所示為標簽芯片輸入阻抗變化的路徑。

　　2.1.2　性能比較

　　在未進(jìn)行阻抗匹配的情況下，芯片Qc的值為4182；加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )后，在芯片和天線(xiàn)阻抗共軛匹配狀態(tài)下，Qc增大到5187，由公式(3)可得芯片獲得的交流電壓Vc增大到原來(lái)的111倍，改善了芯片的性能。

　　通過(guò)比較可知，本芯片的矢量微分RCS的模值要大1015dB，大大改善了標簽反射信號的可識別性，提高了讀寫(xiě)器對標簽識別的準確率。

　　2.1.3　電路實(shí)現

　　阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )由電容Ccm和開(kāi)關(guān)K1兩部分組成，如圖7所示。為了保證兩個(gè)天線(xiàn)引腳間電路的對稱(chēng)，Ccm采用兩個(gè)電容并聯(lián)的形式，每個(gè)大小為170fF；K1由兩個(gè)PMOS開(kāi)關(guān)管組成，PMOS由基帶信號經(jīng)過(guò)電平轉換電路(圖7中A部分)后驅動(dòng)，因此PMOS的柵極可以獲得更高的柵壓，保證關(guān)斷狀態(tài)可靠截止；B部分為上電保護電路，保證數字基帶給出的上電復位信號處在穩定狀態(tài)下芯片才能進(jìn)入調制反射，避免了由于數字基帶電路復位前狀態(tài)不確定而導致芯片在無(wú)法獲得工作能量的情況下反射。PMOS開(kāi)關(guān)管和NMOS上電保護管均采用網(wǎng)狀柵極結構，增大MOS管的寬長(cháng)比，有利于減小MOS管的電阻和寄生電容。

　　3　測試結果

　　所設計的RFID標簽芯片基于chartered0135Lm2P4M、低閾值CMOS工藝流片，芯片尺寸1026Lm×1796Lm，圖8為芯片的顯微照片。實(shí)際使用過(guò)程中，芯片僅有兩個(gè)引腳與天線(xiàn)相連，圖中所顯示的其余引腳均為測試所用，連接對應的模擬或數字信號。

　　倍壓電路的輸出電平是決定RFID芯片工作性能的重要指標，采用本阻抗匹配電路的芯片在輸入交流電平僅為300mV時(shí)，輸出直流電平可達1147V，完全滿(mǎn)足芯片正常工作所需電平要求。1800026C中規定的RFID工作頻帶為860～960MHz，與我國的規定[11]在920～925MHz頻段相重合，因此所設計的RFID標簽工作在923MHz頻帶。

　　使用Impinj公司的speedway讀寫(xiě)器，設置發(fā)送功率為2WERP，標簽天線(xiàn)增益115dBi，在自由空間中進(jìn)行測試。使用安捷倫1682A邏輯分析儀測試信號波形如圖9，圖中“clk-240k”為系統工作時(shí)鐘，頻率為240kHz；“din-dump”為解調輸出信號；“d-out”為調制輸出信號。測試表明，采用該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的標簽在和讀寫(xiě)器通信的過(guò)程中，誤碼率低于10-4，標簽的一次識別更為準確。

　　4　結論

　　提出了一種符合ISO1800026C標準的無(wú)源RFID標簽的低成本的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )。電路結構簡(jiǎn)單，在讀寫(xiě)器、標簽天線(xiàn)和芯片之間實(shí)現了功率傳輸的最大化。采用該阻抗匹配方法的標簽芯片已通過(guò)chartered0135LmCMOS工藝流片驗證。理論分析和實(shí)測結果都表明，該方法有效的改善了芯片性能，提高了讀寫(xiě)器對標簽識別的準確率，標簽滿(mǎn)足系統設計要求。