超高頻遠距離RFID無(wú)源射頻接口電路設計

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：

考慮輸出負載的情況。假設負載抽取電流為Iout，輸入交流信號頻率為fsig，所有電容值都為C，則輸出電壓降低2NIout/Cfsig。于是，考慮輸出負載情況下的輸出電壓為：

2.2 穩壓

在4W等效發(fā)射功率下，距讀寫(xiě)器20cm處，采用增益1.5dBi的接收天線(xiàn)，標簽接收到的最大功率達到95.5mW，超過(guò)標簽在4m處接收到最大功率的400倍。為了保證標簽在近場(chǎng)和遠場(chǎng)都能夠可靠工作，需要有效的穩壓電路使得標簽在近場(chǎng)能夠保持電壓不超過(guò)正常工作電壓范圍。

通常的并聯(lián)式穩壓結構如圖2所示。當Vout大于穩壓電路開(kāi)啟閾值時(shí)，穩壓電路內的瀉流管Mp開(kāi)啟，從瀉流管瀉放電流，使電壓降低。

2.3 解調

本文提出的射頻接口是針對滿(mǎn)足ANSNCITS256??1999射頻標簽協(xié)議的標簽芯片設計的。根據ANSNCITS256??1999射頻標簽協(xié)議規范，讀寫(xiě)器到標簽的信號為OnOffKey（OOK）調制信號。

因此，解調電路可采用二極管包絡(luò )檢波解調實(shí)現。

3 設計實(shí)現

3.1 電源恢復電路

根據設計指標，要在915MHz信號輸入幅度200mV，負載電流20A時(shí)獲得大于2V的直流電壓。則根據（3）式，可得N>5。因此，所需倍壓電路最低級數為12級?？紤]到MOS管導通壓降的損失和寄生效應帶來(lái)的損失，電源恢復電路采用16級的倍壓電路結構，利用零閾值NMOS管實(shí)現。倍壓式電源恢復電路的末端最后一個(gè)電容為儲能電容，取200pF。

3.2 穩壓電路

根據設計協(xié)議要求，輸入信號為OOK信號在OOK信號的關(guān)斷時(shí)刻，由于圖2中瀉流管Mp無(wú)法瞬間關(guān)閉，于是繼續從儲能電容Cs上抽取電流，從而導致電源電壓Vout出現較大下脈沖凹陷。為解決該問(wèn)題，將并聯(lián)穩壓電路改進(jìn)，如圖3所示。瀉流管Mo1和Mo2的電流抽取點(diǎn)從Vout端移至節點(diǎn)p。這樣，當瀉流管開(kāi)啟，OOK信號的關(guān)斷時(shí)刻到來(lái)時(shí)，由于二極管連接的MOS管M3、M4的反向截止作用，儲能電容Cs上的電荷不會(huì )從瀉流管上被抽取走，從而避免了瀉流管造成的電源電壓下脈沖凹陷的問(wèn)題。穩壓電路穩壓值設計在2.4V。

3.3 解調電路

解調電路如圖4所示。M1~M4為4級倍壓?jiǎn)卧?，起到檢波二極管的作用。由于并聯(lián)穩壓電路的瀉流管無(wú)法瞬間關(guān)斷，因此，在OOK信號關(guān)斷時(shí)刻，瀉流管抽取電容C4上的電荷。電容C4取值較小，因此，p1點(diǎn)電平迅速下降，形成較大的下脈沖凹陷，經(jīng)過(guò)后級的整形電路，輸出標準的解調波形。

3.4 流片驗證

該射頻前端模塊作為超高頻長(cháng)距離無(wú)源射頻標簽芯片的一部分，在UMC0.18m混合信號工藝下設計實(shí)現，并流片驗證。芯片照片如圖5所示。

4 測試結果

4.1 電源恢復及穩壓電路測試

利用8753ES網(wǎng)絡(luò )分析儀作為電源恢復電路激勵源；中心頻率設定在915MHz，掃頻寬度設定為1Hz，以此來(lái)近似輸出915MHz的單頻載波信號。

網(wǎng)絡(luò )分析儀測試端輸出功率從-8dBm到10dBm，按照步進(jìn)0.5dBm，測試各功率點(diǎn)駐波比SWR和電源恢復電路電壓VDD。由于網(wǎng)絡(luò )分析儀功率輸出準確度較低，因此，再利用功率計，測量每個(gè)測試輸出功率下網(wǎng)絡(luò )分析儀的實(shí)際輸出功率Ps。電源恢復電路的實(shí)際輸入功率為：

根據Pin和VDD，繪制出反映電源恢復電路性能的輸入輸出特性曲線(xiàn)，如圖6所示。

電路帶200k負載，300pF儲能電容。輸入功率229W時(shí)，電源電壓到達1.85V。穩壓電路工作良好，電源電壓穩定在2.3V。

4.2 解調電路測試

讀寫(xiě)器發(fā)送1s脈寬的OOK調制信號。解調電路輸出波形如圖7所示。下脈沖上升時(shí)間較長(cháng)是由于示波器探頭引入的16pF電容所致。

5 結論

本文分析和設計了應用于超高頻無(wú)源射頻標簽的射頻接口電路，并利用0.18m工藝流片驗證。

根據芯片測試結果，該射頻接口電路能夠在讀寫(xiě)器4W等效發(fā)射功率下距讀寫(xiě)器4m處為射頻標簽芯片提供足夠的工作電壓，并且在芯片近場(chǎng)時(shí)能夠有效地穩定電源電壓。解調信號基本正?？捎?。因此，該射頻接口電路可滿(mǎn)足超高頻遠距離無(wú)源射頻標簽芯片的要求，具有實(shí)用意義。