無(wú)源UHF RFID標(biāo)簽的低成本阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)詳細(xì)教程

引言

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

RFID標(biāo)簽包含天線和芯片，二者均具有復(fù)數(shù)阻抗。對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，因?yàn)闃?biāo)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，所以天線和芯片之間能否實(shí)現(xiàn)良好的匹配和功率傳輸，直接影響到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，也很大程度上決定了標(biāo)簽的關(guān)鍵性能。

目前已有的阻抗匹配方法大都較為復(fù)雜，用于RFID芯片時(shí)標(biāo)簽識(shí)別準(zhǔn)確率較低，效果并不理想。文中提出了一種用于無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片的低成本阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，該匹配網(wǎng)絡(luò)集成于標(biāo)簽芯片內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在標(biāo)簽天線和芯片之間以及標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間實(shí)現(xiàn)了最大的功率傳輸，改善了芯片性能并提高了讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽反射信號(hào)的識(shí)別率。

1　RFID標(biāo)簽阻抗匹配分析

1.1.1　RFID原理與標(biāo)簽組成

常見(jiàn)的RFID系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽組成。讀寫(xiě)器向標(biāo)簽發(fā)送射頻連續(xù)波（Continuous2wave，簡(jiǎn)稱CW），激活標(biāo)簽芯片并將命令和數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻電磁波中。處在讀寫(xiě)器電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)簽通過(guò)倍壓整流電路將較小的輸入電壓提升到可供標(biāo)簽芯片正常工作所需的電壓值，并將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?；由于芯片輸入電壓變化范圍較大，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，需要加入穩(wěn)壓電路；標(biāo)簽解調(diào)模塊從接收到的射頻連續(xù)波中解調(diào)出命令和數(shù)據(jù)，送到數(shù)字基帶模塊；數(shù)字基帶模塊按照協(xié)議，根據(jù)接收到的指令完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、發(fā)送或其他操作［4］；返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)簽通過(guò)改變自身的阻抗改變天線的反射系數(shù)，將調(diào)制反射信號(hào)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(zhǔn)信息校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步；上電復(fù)位電路一方面對(duì)基帶處理器進(jìn)行復(fù)位，另一方面為調(diào)制反射電路提供使能信號(hào)。

圖1所示為RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，芯片包含射頻模擬前端、數(shù)字基帶和非易失性存儲(chǔ)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(diào)制、解調(diào)、穩(wěn)壓、上電復(fù)位、時(shí)鐘產(chǎn)生等。

圖1　射頻識(shí)別標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1.2　阻抗匹配分析

圖2所示是標(biāo)簽的戴維寧等效電路，已被很多研究者用來(lái)解決各種天線問(wèn)題。其中射頻信號(hào)在天線上感應(yīng)出的開(kāi)路交流電壓是Va，芯片輸入電壓是Vc，天線輸入阻抗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(fù)載決定，虛部主要由倍壓整流電路、調(diào)制解調(diào)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(yīng)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(shè)計(jì)。為了得到最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線共軛匹配。

圖2　RFID標(biāo)簽等效電路圖

L型匹配是實(shí)現(xiàn)射頻到直流高效率轉(zhuǎn)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(dá)到匹配的目的。對(duì)于RFID標(biāo)簽芯片來(lái)說(shuō)，在很小的面積內(nèi)集成電感是不現(xiàn)實(shí)的。因此，通過(guò)下文的方法對(duì)芯片的輸入阻抗進(jìn)行修正，達(dá)到利用電感La進(jìn)行L型匹配的目的。

兩個(gè)具有復(fù)數(shù)阻抗的器件直接相連的情況下，接口處復(fù)功率波反射系數(shù)定義為s，應(yīng)用于RFID標(biāo)簽可得：

芯片在和天線阻抗共軛匹配（狀態(tài)0）和失配（狀態(tài)1）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入阻抗分別為Zc0和Zc1，通過(guò)阻抗修正，天線阻抗的虛部被加入芯片內(nèi)，修正后的天線阻抗只保留了實(shí)部Ra，如圖3所示。芯片的輸入電壓可由公式（3）計(jì)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(biāo)簽工作性能的重要參數(shù)。

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

其中K是波長(zhǎng)，G是標(biāo)簽天線增益，兩種芯片輸入阻抗?fàn)顟B(tài)下對(duì)應(yīng)的不同的RCS值可以讓讀寫(xiě)器從調(diào)制反射信號(hào)的幅度上分辨標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。矢量微分RCS更進(jìn)一步讓讀寫(xiě)器探測(cè)到調(diào)制反射信號(hào)的相對(duì)相位特性。以△Ｖ來(lái)標(biāo)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(dāng)標(biāo)簽工作在923MHz頻帶，芯片處于最小輸入功率，未調(diào)制狀態(tài)的情況下，使用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)未加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的芯片輸入阻抗為22-j106歐。根據(jù)芯片輸入阻抗特點(diǎn)，選用Q值較大的標(biāo)簽天線。天線的輸入阻抗為15+j88歐，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(biāo)簽芯片輸入阻抗到天線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(dá)點(diǎn)3，其阻抗為158，與修正過(guò)后的天線阻抗Ra共軛匹配。經(jīng)計(jì)算可以得到Ccm=340fF。

天線和芯片接口處沒(méi)有復(fù)功率波反射，芯片和天線的共軛匹配使天線將從空中接收到的射頻能量的一半傳遞給芯片，達(dá)到功率傳輸?shù)淖畲蠡ｉ_(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，芯片處于狀態(tài)1。圖6所示為標(biāo)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(biāo)簽反射信號(hào)的可識(shí)別性，提高了讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽識(shí)別的準(zhǔn)確率。

2.1.3　電路實(shí)現(xiàn)

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)天線引腳間電路的對(duì)稱，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(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路（圖7中A部分）后驅(qū)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(hù)電路，保證數(shù)字基帶給出的上電復(fù)位信號(hào)處在穩(wěn)定狀態(tài)下芯片才能進(jìn)入調(diào)制反射，避免了由于數(shù)字基帶電路復(fù)位前狀態(tài)不確定而導(dǎo)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(hù)管均采用網(wǎng)狀柵極結(jié)構(gòu)，增大MOS管的寬長(zhǎng)比，有利于減小MOS管的電阻和寄生電容。

3　測(cè)試結(jié)果

所設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)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)引腳與天線相連，圖中所顯示的其余引腳均為測(cè)試所用，連接對(duì)應(yīng)的模擬或數(shù)字信號(hào)。

倍壓電路的輸出電平是決定RFID芯片工作性能的重要指標(biāo)，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(dá)1147V，完全滿足芯片正常工作所需電平要求。1800026C中規(guī)定的RFID工作頻帶為860～960MHz，與我國(guó)的規(guī)定［11］在920～925MHz頻段相重合，因此所設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽工作在923MHz頻帶。

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

4　結(jié)論

提出了一種符合ISO1800026C標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源RFID標(biāo)簽的低成本的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在讀寫(xiě)器、標(biāo)簽天線和芯片之間實(shí)現(xiàn)了功率傳輸?shù)淖畲蠡?。采用該阻抗匹配方法的?biāo)簽芯片已通過(guò)chartered0135LmCMOS工藝流片驗(yàn)證。理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)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(duì)標(biāo)簽識(shí)別的準(zhǔn)確率，標(biāo)簽滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。