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：
超高頻RFID射頻接口電路設計" height="40" src="http://files.chinaaet.com/images/20110920/bc3b989d-63e8-4a64-84b1-86833951dd45.jpg" width="400" />
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,。
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：
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(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,。
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,。考慮到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。
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,。
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。
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：
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,。
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。
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)信號基本正常可用,。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,。