超高頻RFID射頻接口電路設計 - 全文

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　　1 引言

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

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

　　2 原理分析

　　2.1 電源恢復

　　無源射頻標簽依靠讀寫器發(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系，例如空間環(huán)境的反射，傳播媒介的吸收系數(shù)，溫度等。在理想自由空間，連續(xù)載波的情況下，有下面的近似公式：

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

　　可以看到，標簽接收到的功率主要和距離與載波頻率相關，隨距離的增大迅速減小，隨頻率的增加而減小。PreaderRreader也稱為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。假設標簽天線增益為1.5dBi，則在4m處無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，在915MHz天線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。圖中的二極管在實際應用時通常用MOS管替代。輸入正弦交流信號RFin=VAsint。在RFin負半周期時，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。

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　　RFin正半周期時，節(jié)點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(jié)點2的最大電壓，為 VA+(VA-Vd)-Vd=2(VA-Vd)。依次類推，C3兩端能夠獲得的最大電壓為3(VA-Vd)，節(jié)點4的最大電壓為4(VA-Vd)。節(jié)點 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：

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　　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：

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　　2.2 穩(wěn)壓

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

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

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　　2.3 解調(diào)

　　本文提出的射頻接口是針對滿足ANSNCITS256??1999射頻標簽協(xié)議的標簽芯片設計的。根據(jù)ANSNCITS256??1999射頻標簽協(xié)議規(guī)范，讀寫器到標簽的信號為OnOffKey(OOK)調(diào)制信號。

　　因此，解調(diào)電路可采用二極管包絡檢波解調(diào)實現(xiàn)。

　　3 設計實現(xiàn)

　　3.1 電源恢復電路

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

　　3.2 穩(wěn)壓電路

　　根據(jù)設計協(xié)議要求，輸入信號為OOK信號在OOK信號的關斷時刻，由于圖2中瀉流管Mp無法瞬間關閉，于是繼續(xù)從儲能電容Cs上抽取電流，從而導致電源電壓Vout出現(xiàn)較大下脈沖凹陷。為解決該問題，將并聯(lián)穩(wěn)壓電路改進，如圖3所示。瀉流管Mo1和Mo2的電流抽取點從Vout端移至節(jié)點p。這樣，當瀉流管開啟，OOK信號的關斷時刻到來時，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題。穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓值設計在2.4V。

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　　3.3 解調(diào)電路

　　解調(diào)電路如圖4所示。M1~M4為4級倍壓單元，起到檢波二極管的作用。由于并聯(lián)穩(wěn)壓電路的瀉流管無法瞬間關斷，因此，在OOK信號關斷時刻，瀉流管抽取電容C4上的電荷。電容C4取值較小，因此，p1點電平迅速下降，形成較大的下脈沖凹陷，經(jīng)過后級的整形電路，輸出標準的解調(diào)波形。

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　　3.4 流片驗證

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

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　　4 測試結果

　　4.1 電源恢復及穩(wěn)壓電路測試

　　利用8753ES網(wǎng)絡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，以此來近似輸出915MHz的單頻載波信號。

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

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　　根據(jù)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，如圖6所示。

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

　　4.2 解調(diào)電路測試

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

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　　5 結論

　　本文分析和設計了應用于超高頻無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(jù)芯片測試結果，該射頻接口電路能夠在讀寫器4W等效發(fā)射功率下距讀寫器4m處為射頻標簽芯片提供足夠的工作電壓，并且在芯片近場時能夠有效地穩(wěn)定電源電壓。解調(diào)信號基本正?？捎?。因此，該射頻接口電路可滿足超高頻遠距離無源射頻標簽芯片的要求，具有實用意義。