無源UHF RFID標籤的低成本阻抗匹配網絡設計詳細教程

無源UHF RFID標籤的低成本阻抗匹配網絡設計詳細教程

工程師2 發表於 2018-05-28 10:24:00

引言

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

RFID標籤包含天線和晶片，二者均具有複數阻抗。對於無源標籤來說，因為標籤工作所需功耗全部來源於讀寫器發射的射頻能量，所以天線和晶片之間能否實現良好的匹配和功率傳輸，直接影響到系統功能的實現，也很大程度上決定了標籤的關鍵性能。

目前已有的阻抗匹配方法大都較為複雜，用於RFID晶片時標籤識別準確率較低，效果並不理想。文中提出了一種用於無源RFID標籤晶片的低成本阻抗匹配網絡的設計方法，該匹配網絡集成於標籤晶片內，結構簡單，在標籤天線和晶片之間以及標籤和讀寫器之間實現了最大的功率傳輸，改善了晶片性能並提高了讀寫器對標籤反射信號的識別率。

1　RFID標籤阻抗匹配分析

1.1.1　RFID原理與標籤組成

常見的RFID系統主要由讀寫器和標籤組成。讀寫器向標籤發送射頻連續波（Continuous2wave，簡稱CW），激活標籤晶片並將命令和數據調製到射頻電磁波中。處在讀寫器電磁場範圍內的標籤通過倍壓整流電路將較小的輸入電壓提升到可供標籤晶片正常工作所需的電壓值，並將交流轉變為直流；由於晶片輸入電壓變化範圍較大，導致輸出電壓不穩定，需要加入穩壓電路；標籤解調模塊從接收到的射頻連續波中解調出命令和數據，送到數字基帶模塊；數字基帶模塊按照協議，根據接收到的指令完成數據存儲、發送或其他操作［4］；返回數據時，標籤通過改變自身的阻抗改變天線的反射係數，將調製反射信號發回給讀寫器。時鐘產生電路提供晶片工作所需時鐘頻率，並通過讀寫器發送的時鐘校準信息校準，實現時鐘同步；上電復位電路一方面對基帶處理器進行復位，另一方面為調製反射電路提供使能信號。

圖1所示為RFID標籤系統的結構框圖，晶片包含射頻模擬前端、數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、調製、解調、穩壓、上電復位、時鐘產生等。

圖1　射頻識別標籤系統結構框圖

1.1.2　阻抗匹配分析

圖2所示是標籤的戴維寧等效電路，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出的開路交流電壓是Va，晶片輸入電壓是Vc，天線輸入阻抗Za=Ra+jXa，晶片輸入阻抗Zc=Rc+jXc。而晶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、調製解調電路和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。本文在輸入功率等於晶片正常工作所需最小功率的情況下，完成阻抗匹配網絡的設計。為了得到最大功率傳輸，晶片的輸入阻抗必須和天線共軛匹配。

圖2　RFID標籤等效電路圖

L型匹配是實現射頻到直流高效率轉換時使用的一種阻抗匹配方法，通過串聯的電感和晶片中的電容諧振的方法，達到匹配的目的。對於RFID標籤晶片來說，在很小的面積內集成電感是不現實的。因此，通過下文的方法對晶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。

兩個具有複數阻抗的器件直接相連的情況下，接口處復功率波反射係數定義為s，應用於RFID標籤可得：

晶片在和天線阻抗共軛匹配（狀態0）和失配（狀態1）時對應的輸入阻抗分別為Zc0和Zc1，通過阻抗修正，天線阻抗的虛部被加入晶片內，修正後的天線阻抗只保留了實部Ra，如圖3所示。晶片的輸入電壓可由公式（3）計算：

由於無源RFID晶片工作所需能量完全來自於空間電磁場，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並提供正常工作電壓的關鍵，也是決定標籤工作性能的重要參數。

RFID標籤的RCS（雷達散射截面）是晶片輸入阻抗的函數，由經典的雷達方程可得RCS的值：

其中K是波長，G是標籤天線增益，兩種晶片輸入阻抗狀態下對應的不同的RCS值可以讓讀寫器從調製反射信號的幅度上分辨標籤發送的數據。矢量微分RCS更進一步讓讀寫器探測到調製反射信號的相對相位特性。以△Ｖ來標註該矢量的模：

2　提出的阻抗匹配網絡

2.1.1　原理分析

當標籤工作在923MHz頻帶，晶片處於最小輸入功率，未調製狀態的情況下，使用安捷倫E5071C網絡分析儀實測未加入阻抗匹配網絡的晶片輸入阻抗為22-j106歐。根據晶片輸入阻抗特點，選用Q值較大的標籤天線。天線的輸入阻抗為15+j88歐，阻抗匹配網絡的設計如圖4所示，其中La=1512nH。

開關K1斷開時，晶片處於狀態0。在圖5所示的從標籤晶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；並聯電容Ccm後與158等電阻圓交於點2，阻抗為15-j888；再串聯電感La到達點3，其阻抗為158，與修正過後的天線阻抗Ra共軛匹配。經計算可以得到Ccm=340fF。

天線和晶片接口處沒有復功率波反射，晶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晶片，達到功率傳輸的最大化。開關K1閉合時，晶片處於狀態1。圖6所示為標籤晶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，晶片Qc的值為4182；加入阻抗匹配網絡後，在晶片和天線阻抗共軛匹配狀態下，Qc增大到5187，由公式（3）可得晶片獲得的交流電壓Vc增大到原來的111倍，改善了晶片的性能。

通過比較可知，本晶片的矢量微分RCS的模值要大1015dB，大大改善了標籤反射信號的可識別性，提高了讀寫器對標籤識別的準確率。

2.1.3　電路實現

阻抗匹配網絡由電容Ccm和開關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採用兩個電容並聯的形式，每個大小為170fF；K1由兩個PMOS開關管組成，PMOS由基帶信號經過電平轉換電路（圖7中A部分）後驅動，因此PMOS的柵極可以獲得更高的柵壓，保證關斷狀態可靠截止；B部分為上電保護電路，保證數字基帶給出的上電復位信號處在穩定狀態下晶片才能進入調製反射，避免了由於數字基帶電路復位前狀態不確定而導致晶片在無法獲得工作能量的情況下反射。PMOS開關管和NMOS上電保護管均採用網狀柵極結構，增大MOS管的寬長比，有利於減小MOS管的電阻和寄生電容。

3　測試結果

所設計的RFID標籤晶片基於chartered0135Lm2P4M、低閾值CMOS工藝流片，晶片尺寸1026Lm×1796Lm，圖8為晶片的顯微照片。實際使用過程中，晶片僅有兩個引腳與天線相連，圖中所顯示的其餘引腳均為測試所用，連接對應的模擬或數位訊號。

倍壓電路的輸出電平是決定RFID晶片工作性能的重要指標，採用本阻抗匹配電路的晶片在輸入交流電平僅為300mV時，輸出直流電平可達1147V，完全滿足晶片正常工作所需電平要求。1800026C中規定的RFID工作頻帶為860～960MHz，與我國的規定［11］在920～925MHz頻段相重合，因此所設計的RFID標籤工作在923MHz頻帶。

使用Impinj公司的speedway讀寫器，設置發送功率為2WERP，標籤天線增益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」為系統工作時鐘，頻率為240kHz；「din-dump」為解調輸出信號；「d-out」為調製輸出信號。測試表明，採用該阻抗匹配網絡的標籤在和讀寫器通信的過程中，誤碼率低於10-4，標籤的一次識別更為準確。

4　結論

提出了一種符合ISO1800026C標準的無源RFID標籤的低成本的阻抗匹配網絡。電路結構簡單，在讀寫器、標籤天線和晶片之間實現了功率傳輸的最大化。採用該阻抗匹配方法的標籤晶片已通過chartered0135LmCMOS工藝流片驗證。理論分析和實測結果都表明，該方法有效的改善了晶片性能，提高了讀寫器對標籤識別的準確率，標籤滿足系統設計要求。

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