被動UHF RFID應答器晶片射頻電路設計

無線射頻辨識（RadioFrequencyIdenlificaTInn，RFID）是20世紀90年代興起的自動辨識技術。 RFID技術具有條碼技術不具備的諸多優勢，應用範圍廣泛，可應用於二代公民*、城市一卡通、金融交易、供應鏈管理、ETC、門禁、機場行李管理、公共交通、貨櫃識別、牲畜管理等。因此，掌握RFID晶片的製造技術變得非常重要。 目前，日益增長的應用需求對RFID晶片提出了更高的要求，要求更大的容量、更低的成本、更小的尺寸和更高的資料速率。 針對這種情況，本文提出一種遠距離、低功耗被動UHF RFID應答器晶片射頻電路。

RFID常見的工作頻率有低頻125kHz、134.2kHz，高頻13.56MHz，超高頻860-930MHz，微波2.45GHz、5.8GHz等。由於低頻125kHz、134.2kHz，高頻13.56MHz系統採用線圈作為天線，採用線圈電感耦合方式，工作距離較短，一般不超過1.2m，歐洲等地區頻寬限制在數千赫茲。 但UHF（860～93Uh1Hz）和微波（2.45GHz、5.8GHz）可以提供更長的工作距離、更高的資料速率和更小的天線尺寸，因此成為RFID的熱門研究領域。

本文提出的射頻電路晶片採用特許0.35μm 2P4M CMOS製程流片，支援蕭特基二極體和電可擦可程式唯讀記憶體(EEPROM)。 蕭特基二極體具有較低的串聯電阻和正向電壓，在將接收到的射頻輸入訊號能量轉換為直流電源時可以提供較高的轉換效率，從而降低功耗。 當有效各向同性輻射功率（EIRP）為4W（36dBm）、天線增益為0dB時，射頻電路晶片工作在915MHz，讀取距離大於3m，工作電流小於8μA。

1 射頻電路結構

UHF RF1D應答器晶片，主要包括射頻電路、邏輯控制電路和EEPROM。 其中，射頻電路部分可分為以下主要電路模組：本振和時脈發生電路、上電重設電路、電壓基準源、匹配網路和反向散射電路、整流器、穩壓器和調幅（AM） ）解調器等。除天線外，沒有外部元件。 天線部分採用偶極子結構，透過匹配網路與整流器的輸入阻抗匹配，作為整個晶片的唯一能源。 其等效模型如圖2所示。偶極子天線的阻抗實部由Rra和Rloss組成，其中Rra是偶極子天線的輻射阻抗，是偶極子天線固有的，一般為73Ω，代表天線輻射電磁波的能力； Rloss 用來製造天線的金屬所帶來的歐姆電阻，一般只會產生熱量。 天線阻抗的虛部X一般為正，因為天線一般對外界是有感性的，而這個等效電感的大小一般取決於天線的拓樸結構和基板的材料。 整流器將耦合的射頻輸入訊號的功率轉換為晶片所需的直流電壓。 穩壓器將直流電壓穩定在一定水平，並限制直流電壓的大小，以保護晶片不會因電壓過高而擊穿。 AM解調器用於從接收到的載波訊號中提取相應的資料訊號。 反向散射電路透過可變電容改變射頻電路的阻抗，將應答器資料傳送到RFID詢問器或讀卡機。 上電重設電路用於產生整個晶片的複位訊號。 與13.56MHz高頻（HF）轉發器不同，915MHz UHF轉發器無法透過與載波分頻來獲得本地時鐘，只能透過內建低功耗本地振盪器為數位邏輯電路部分提供時脈。 以下將對所有這些電路塊進行一一詳細說明。

2 電路設計與分析

2.1 整流與穩壓電路

本文採用由肖特基二極體組成的Dickson電荷泵作為整流電路。 電路原理圖如圖3所示。這是因為肖特基二極體的串聯較低。電阻和結電容，在將接收到的射頻輸入訊號能量轉換為直流電源時可以提供高轉換效率，從而降低功耗。 所有肖特基二極體均透過多晶矽電容器連接在一起。 垂直電容在輸入電壓Vin的負半週充電並儲存能量，而橫向電容在輸入電壓Vin的正半週充電並儲存能量以產生直流電。 高電壓，產生的電壓為：

VDD=n·(Vp,RF-Vf,D)

其中Vp，RF是輸入射頻訊號的幅度，Vf，D是蕭特基二極體的正向電壓，n是所使用的電荷泵的級數。

將整流器輸出的直流電壓穩定在一定水平，為整個應答器晶片提供穩定的工作電壓，確保直流電壓幅值不會因為應答器晶片的物理位置而變化，避免可能出現的晶片震盪。 磨損，從而保護應答器晶片。 此電路採用自偏壓級聯結構。 選擇這種電路結構的原因是Cascnde結構具有共柵管的隔離作用，這使得它具有良好的抑制電源波動的能力，從而提高電源抑制比（PSRR）。 確保兩支路電流基本穩定。 Q1和Q2的面積比為1:8。 此外，與一般的高頻RFID應答器不同，我們在設計中採用了低功耗電壓參考源和低電壓啟動電路，以降低晶片的整體功耗。