引言

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

RFID標簽包含天線和芯片，二者均具有復(fù)數(shù)阻抗。對于無源標簽來說，因為標簽工作所需功耗全部來源于讀寫器發(fā)射的射頻能量，所以天線和芯片之間能否實現(xiàn)良好的匹配和功率傳輸，直接影響到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，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(fù)雜，用于RFID芯片時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源RFID標簽芯片的低成本阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法，該匹配網(wǎng)絡(luò)集成于標簽芯片內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，在標簽天線和芯片之間以及標簽和讀寫器之間實現(xiàn)了最大的功率傳輸，改善了芯片性能并提高了讀寫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

常見的RFID系統(tǒng)主要由讀寫器和標簽組成。讀寫器向標簽發(fā)送射頻連續(xù)波(Continuous2wave，簡稱CW)，激活標簽芯片并將命令和數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻電磁波中。處在讀寫器電磁場范圍內(nèi)的標簽通過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(zhuǎn)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(wěn)定，需要加入穩(wěn)壓電路；標簽解調(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、發(fā)送或其他操作[4]；返回數(shù)據(jù)時，標簽通過改變自身的阻抗改變天線的反射系數(shù)，將調(diào)制反射信號發(fā)回給讀寫器。時鐘產(chǎn)生電路提供芯片工作所需時鐘頻率，并通過讀寫器發(fā)送的時鐘校準信息校準，實現(xiàn)時鐘同步；上電復(fù)位電路一方面對基帶處理器進行復(fù)位，另一方面為調(diào)制反射電路提供使能信號。

圖1所示為RFID標簽系統(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、時鐘產(chǎn)生等。


圖1　射頻識別標簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1.2　阻抗匹配分析

圖2所示是標簽的戴維寧等效電路，已被很多研究者用來解決各種天線問題。其中射頻信號在天線上感應(yīng)出的開路交流電壓是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(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。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標簽等效電路圖

L型匹配是實現(xiàn)射頻到直流高效率轉(zhuǎn)換時使用的一種阻抗匹配方法，通過串聯(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標簽芯片來說，在很小的面積內(nèi)集成電感是不現(xiàn)實的。因此，通過下文的方法對芯片的輸入阻抗進行修正，達到利用電感La進行L型匹配的目的。

兩個具有復(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)時對應(yīng)的輸入阻抗分別為Zc0和Zc1，通過阻抗修正，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部Ra，如圖3所示。芯片的輸入電壓可由公式(3)計算：



由于無源RFID芯片工作所需能量完全來自于空間電磁場，所以輸入電壓Vc具有足夠高的值是倍壓整流電路能夠開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(shù)。



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



其中K是波長，G是標簽天線增益，兩種芯片輸入阻抗狀態(tài)下對應(yīng)的不同的RCS值可以讓讀寫器從調(diào)制反射信號的幅度上分辨標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。矢量微分RCS更進一步讓讀寫器探測到調(diào)制反射信號的相對相位特性。以△Ｖ來標注該矢量的模：



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(diào)制狀態(tài)的情況下，使用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀實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(jù)芯片輸入阻抗特點，選用Q值較大的標簽天線。天線的輸入阻抗為15+j88歐，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計如圖4所示，其中La=1512nH。



開關(guān)K1斷開時，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的共軛阻抗的匹配路徑上，點1處阻抗為22-j106歐；并聯(lián)電容Ccm后與158等電阻圓交于點2，阻抗為15-j888；再串聯(lián)電感La到達點3，其阻抗為158，與修正過后的天線阻抗Ra共軛匹配。經(jīng)計算可以得到Ccm=340fF。



天線和芯片接口處沒有復(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，達到功率傳輸?shù)淖畲蠡?。開關(guān)K1閉合時，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增大到原來的111倍，改善了芯片的性能。

通過比較可知，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，提高了讀寫器對標簽識別的準確率。

2.1.3　電路實現(xiàn)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由電容Ccm和開關(guān)K1兩部分組成，如圖7所示。為了保證兩個天線引腳間電路的對稱，Ccm采用兩個電容并聯(lián)的形式，每個大小為170fF；K1由兩個PMOS開關(guān)管組成，PMOS由基帶信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路(圖7中A部分)后驅(qū)動，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(shù)字基帶給出的上電復(fù)位信號處在穩(wěn)定狀態(tài)下芯片才能進入調(diào)制反射，避免了由于數(shù)字基帶電路復(fù)位前狀態(tài)不確定而導致芯片在無法獲得工作能量的情況下反射。PMOS開關(guān)管和NMOS上電保護管均采用網(wǎng)狀柵極結(jié)構(gòu)，增大MOS管的寬長比，有利于減小MOS管的電阻和寄生電容。



3　測試結(jié)果

所設(shè)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。實際使用過程中，芯片僅有兩個引腳與天線相連，圖中所顯示的其余引腳均為測試所用，連接對應(yīng)的模擬或數(shù)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，輸出直流電平可達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，與我國的規(guī)定[11]在920～925MHz頻段相重合，因此所設(shè)計的RFID標簽工作在923MHz頻帶。

使用Impinj公司的speedway讀寫器，設(shè)置發(fā)送功率為2WERP，標簽天線增益115dBi，在自由空間中進行測試。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(tǒng)工作時鐘，頻率為240kHz；“din-dump”為解調(diào)輸出信號；“d-out”為調(diào)制輸出信號。測試表明，采用該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的標簽在和讀寫器通信的過程中，誤碼率低于10-4，標簽的一次識別更為準確。



4　結(jié)論

提出了一種符合ISO1800026C標準的無源RFID標簽的低成本的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。電路結(jié)構(gòu)簡單，在讀寫器、標簽天線和芯片之間實現(xiàn)了功率傳輸?shù)淖畲蠡?。采用該阻抗匹配方法的標簽芯片已通過chartered0135LmCMOS工藝流片驗證。理論分析和實測結(jié)果都表明，該方法有效的改善了芯片性能，提高了讀寫器對標簽識別的準確率，標簽滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。