- 超高頻遠距離無源射頻接口電路設計
- 解調電路采用二極管包絡檢波解調實現
- 利用0.18m工藝流片驗證
1 引言
射頻識別技術廣泛應用于交通運輸、動物識別、過程控制、物流等方面。早在1990年代，13.56MHz的射頻標簽就應用于社會生活的各個領域。
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、穩壓電路和解調整形電路。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、穩壓電路和解調整形電路的設計。
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，例如空間環境的反射，傳播媒介的吸收系數，溫度等。在理想自由空間，連續載波的情況下，有下面的近似公式：
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），節點4的最大電壓為4（VA-Vd）。節點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：
在4W等效發射功率下，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。
通常的并聯式穩壓結構如圖2所示。當Vout大于穩壓電路開啟閾值時，穩壓電路內的瀉流管Mp開啟，從瀉流管瀉放電流，使電壓降低。
本文提出的射頻接口是針對滿足ANSNCITS256??1999射頻標簽協議的標簽芯片設計的。根據ANSNCITS256??1999射頻標簽協議規范，讀寫器到標簽的信號為OnOffKey（OOK）調制信號。
因此，解調電路可采用二極管包絡檢波解調實現。
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3 設計實現
3.1 電源恢復電路
根據設計指標，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（3）式，可得N>5。因此，所需倍壓電路最低級數為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。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 穩壓電路
根據設計協議要求，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，于是繼續從儲能電容Cs上抽取電流，從而導致電源電壓Vout出現較大下脈沖凹陷。為解決該問題，將并聯穩壓電路改進，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。穩壓電路穩壓值設計在2.4V。
3.3 解調電路
解調電路如圖4所示。M1~M4 為4級倍壓單元，起到檢波二極管的作用。由于并聯穩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，經過后級的整形電路，輸出標準的解調波形。
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，并流片驗證。芯片照片如圖5所示。
4 測試結果
4.1 電源恢復及穩壓電路測試
利用8753ES網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：
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。穩壓電路工作良好，電源電壓穩定在2.3V。
4.2 解調電路測試
讀寫器發送1s脈寬的OOK調制信號。解調電路輸出波形如圖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。
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。
根據芯片測試結果，該射頻接口電路能夠在讀寫器4W等效發射功率下距讀寫器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定電源電壓。解調信號基本正常可用。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。
