超高頻無(wú)源電子標簽芯片的模擬電路設計

電子標簽內存有一定格式的電子數據，常以此作為待識別物品的標識性信息。應用中將電子標簽附著(zhù)在待識別物品上，作為待識別物品的電子標記。閱讀器與電子標簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，通常的情況是由閱讀器向電子標簽發(fā)送命令，電子標簽根據收到的閱讀器的命令，將內存的標識性數據回傳給閱讀器。這種通信是在無(wú)接觸方式下，利用交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的空間耦合及射頻信號調制與解調技術(shù)實(shí)現的。

電子標簽通常由標簽天線(xiàn)(或線(xiàn)圈)和標簽芯片組成。電子標簽芯片即相當于一個(gè)具有無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能再加存貯功能的單片系統(SoC)。從純技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，射頻識別技術(shù)的核心在電子標簽，閱讀器是根據電子標簽的設計而設計的。

電子標簽依據發(fā)送射頻信號的方式不同，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式標簽主動(dòng)向閱讀器發(fā)送射頻信號，通常由內置電池供電，又稱(chēng)為有源電子標簽；被動(dòng)式標簽不帶電池，又稱(chēng)為無(wú)源電子標簽，其發(fā)射電波及內部處理器運行所需能量均來(lái)自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無(wú)源電子標簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后，將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量。

一般來(lái)說(shuō)，有源電子標簽具有更遠的通信距離，但其價(jià)格相對較高，主要應用于貴重物品遠距離檢測等應用領(lǐng)域。無(wú)源電子標簽具有價(jià)格低的優(yōu)勢，盡管其工作距離和存儲容量受到能量的限制，但有巨大的市場(chǎng)潛力，是目前業(yè)界研發(fā)的熱點(diǎn)。

無(wú)源電子標簽芯片主要包括3個(gè)部分：模擬電路、數字控制和電可擦除可編程只讀存儲器(E2PROM)模塊。其中，模擬電路模塊又包括電源產(chǎn)生電路、調制解調電路等。

1 超高頻無(wú)源電子標簽芯片模擬電路的設計要求
超高頻(UHF)無(wú)源電子標簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標準而設計的[1]，ISO/IEC 18000-6C標準是繼ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B標準之后的新標準，它對前兩種標準的協(xié)議特點(diǎn)進(jìn)行了一系列有效的修正與擴充。其中物理層數據編碼、調制方式、防碰撞算法等一些關(guān)鍵技術(shù)有了改進(jìn)，使得ISO/IEC
18000-6C的性能比ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B有了很大的提高。

在標簽設計時(shí)，標簽芯片的模擬電路部分必須要與標準中規定的空中接口參數相一致，其主要參數規格如表1所示。

表1中的參數主要是按照ISO/IEC 18000-6C標準選擇，其中標簽射頻輸入功率的計算過(guò)程如下。

由電磁場(chǎng)理論可知標簽天線(xiàn)處的電磁場(chǎng)能量密度：S =P /Ae =P /[λ2/(4π)]=4πP /λ2=1/2?E 2/η，其中S是標簽天線(xiàn)處的電磁場(chǎng)能量密度，P是標簽天線(xiàn)接收到的能量，Ae是標簽天線(xiàn)的等效接收面積，λ是閱讀器發(fā)射電磁波的波長(cháng)，E是標簽天線(xiàn)處的電場(chǎng)強度，η是空氣的波阻抗。
進(jìn)而推導出標簽天線(xiàn)處的電場(chǎng)強度為：。

當采用半波對稱(chēng)陣子當作標簽天線(xiàn)時(shí)，每個(gè)陣子長(cháng)度為λ/4，所以標簽天線(xiàn)上的感應電壓為：U =E?d =，其中d為單個(gè)陣子的長(cháng)度。

由電荷泵電路可知，電荷泵輸入端的電壓必須大于等于0.8 V時(shí)才能開(kāi)啟整個(gè)電荷泵電路進(jìn)行充電。因此U≥0.8 V，也即：≥0.8，把空氣的波阻抗η=120?π帶入可求得P≥1.1 mW。也即射頻輸入功率至少為1.1 mW才能使標簽正常工作。

2 模擬電路設計
無(wú)源電子標簽芯片的模擬電路部分主要分為調制電路、解調電路和電源產(chǎn)生電路3個(gè)部分，除此之外還有上電復位電路等，如圖1所示。

調制電路對基帶數據進(jìn)行射頻調制，設計中主要采用逆向散射調制，即用數據比特流調制標簽天線(xiàn)的輸入阻抗來(lái)改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實(shí)現類(lèi)似于幅度調制(AM)的逆向散射調制。解調電路完成對閱讀器發(fā)射來(lái)的命令信息進(jìn)行解調，電源產(chǎn)生電路必須能夠為芯片中的電路提供穩定充足的電能，在設計中采用電荷泵作為電源產(chǎn)生電路。此電路相對較為復雜，是整個(gè)芯片模擬電路部分最為關(guān)鍵的部分。
2.1 調制電路
標簽芯片是基于ISO/IEC 18000-6C標準設計的，因而標簽芯片中的調制電路采用逆向散射調制來(lái)實(shí)現FM0/Miller+ASK調制，也就是用數據比特流調制標簽天線(xiàn)的輸入阻抗來(lái)改變反射回閱讀器信號的幅度，從而實(shí)現類(lèi)似于A(yíng)M調制的逆向散射調制，如圖2所示。

此標簽芯片逆向散射調制電路采用消除了襯底調制效應的互補金屬氧化物半導體(CMOS)開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現，用數字電路送過(guò)來(lái)的數據比特來(lái)控制CMOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)，也即改變單溝道CMOS開(kāi)關(guān)的輸入阻抗，由于CMOS開(kāi)關(guān)是并聯(lián)在天線(xiàn)兩端的，因而就改變了天線(xiàn)的輸入阻抗，實(shí)現了逆向散射調制的功能。