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超高频射频识别系统由于具有低成本、能够远距离读写等特点,其应用越来越广泛。本文主要针对无源超高频射频电子标签芯片的射频前端电路展开分析与研究。虽然本文对于无源超高频射频电子标签电路的研究是基于IS018000-6B/C协议展开的,但是研究的结论和成果也适用于相同频段的兼容其它协议的射频电子标签的设计,同时对于2.4G射频电子标签芯片的设计也具有一定的参考价值。
电磁波是射频电子标签与读卡器完成通信的媒介,电磁波中包含读卡器发出的数据信息。然而对于无源射频电子标签,读卡器辐射的电磁波还为无源射频电子签芯片正常工作提供能量,在电子标签中能够把电磁波能量转化为直流电能的电路我们称为能量提取电路;此外,标签芯片通过改变输入阻抗而改变对电磁波的反射量,从而完成标签向读卡器的信号传输,这种调制的方式称为反射调制。这两种特殊的用处是无源超高频射频电子标签工作的特点,也是在设计无源超高频射频电子标签射频前端电路的难点。因此,本文把超高频射频电子标签射频前端电路分为两个部分进行研究:一部分是电源模块,包括能量提取电路和稳压电路:另一部分是数据接口模块,包括解调、调制和时钟产生电路模块。
首先,文章系统地论述了超高频射频识别系统的物理基础。对超高频射频识别系统中应用的电磁场理论,天线辐射理论和能量的传递与反射以及协议标准进行了详细的分析与介绍。
文章对于电源模块中的重点模块能量提取电路进行研究。文章对于使用肖特基二极管倍压整流电路进行建模,使用数学建模的方法揭示了倍压整流电路输入与输出各个参数之间的关系。文章在前人研究的基础上对于肖特基二极管的模型进行了线性的近似,提出了一种更加简单直观的关于倍压整流电路的数学模型。为了验证模型的可靠性,我们把模型计算的结果与仿真和实际流片测试的结果进行比较,证明本文提出的模型在保证具有足够精度的同时极大的简化了数学模型的复杂程度。同时,基于建立的模型,文章对于能量提取电路进行进一步的分析与讨论,对于能量提取电路进行了优化,给出了能量提取电路工作的理论极限工作距离。另外,本文从电源模块的结构和具体电路特点出发,提出一种适合超高频射频电子标器低功耗应用的电源供给解决方案。
数据接口模块包括调制器、解调器以及时钟产生电路。本文对于调制电路的调制类型进行了理论分析,并比较总结了射频识别电子标签常用的调制类型的优缺点。对于解调电路结构的种类和性能指标进行了分析与总结。另外,本文还设计了一种满足EPC精度要求的片上振荡器,作为时钟产生电路,并给出了实际测试结果。
最后,本文根据对射频前端电路各模块的理论分析,针对标签芯片射频前端要求的低输入能量,高转换效率的特点,文章设计了符合EPC标准的超高频射频电子标签芯片。文章对于射频前端电路的每一个模块都给出实际电路设计方案。设计采用兼容EEPROM的0.3Sum CMOS工艺完成,芯片射频频率带宽为860MHz-960MHz,中心频率为910MHz。输入射频功耗为90uW-30mW,芯片工作电压为1.65V。文章最后给出了芯片模拟射频前端电路的测试结果。