新型無源UHF RFID雙端口標簽設計*

李美苓， 謝　生， 毛陸虹

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

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新型無源UHF RFID雙端口標簽設計*

李美苓， 謝生， 毛陸虹

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

針對無源UHF RFID系統通信距離受限的問題，提出了一種新型無源雙端口智能標簽的設計方案。闡述了智能選擇的實現方法以及提高系統識別距離的原理，并給出了標簽其他部分電路包括整流及穩壓電路、調制電路和解調電路的電路結構，電路基于0.18 μm CMOS工藝實現。仿真結果表明：各部分電路均可實現正常功能。

超高頻射頻識別(UHF RFID)； 雙端口標簽； 智能選擇

0　引　言

超高頻射頻識別(UHF RFID)系統最基本的構成包括閱讀器(reader)和電子標簽(tag)兩部分。無源標簽具有體積小、成本低、使用壽命不受限等優點，廣泛應用于物流倉儲、資產管理、交通運輸、公共安全等各個領域[1～3]。

無源標簽將天線接收到的射頻能量經過整流電路進行能量轉換，供模擬電路、數字電路及存儲器分配[4,5]，這給電路的低功耗設計、遠距離通信帶來極大挑戰。王晉雄等人[6]提出新型的整流電路結構，將整流電路的轉換效率提高到了30 %，同時降低了穩壓電路的功耗，實現為數字電路提供1V電壓的同時功耗為500 nA。杜永乾等人[7]將射頻/模擬前端通過系統分區和分時供電對系統功耗進行了優化，實現讀取距離大于6 m。Yao Chia-Yu等人[8]提出雙端口標簽方案，其中一路端口采用915 MHz作為電源管理系統供電電路，另一路采用433 MHz作為數據傳輸通道，不影響供電系統的同時為數字部分提供所需時鐘，最終實現標簽工作距離達到19.6 m，但是無源標簽用于接收射頻信號的天線是定向天線，當閱讀器與標簽之間的角度存在一定偏差時，標簽天線在此方向上的增益很低，因此,接收到的射頻能量較低，從而無法維持后續整流模塊的工作，影響整個系統的供電。

本文提出一種可實現智能選擇的雙端口UHF RFID標簽方案，即射頻標簽采用2套天線，一套天線專門接收射頻能量，提供芯片所需工作電壓，而另一套天線參與反向散射通信，兩路天線的功能通過電路控制實現。系統供電和數據通信均采用915MHz實現，可有效保證標簽整流電路接收的射頻能量最大化，為遠距離通信提供能量保障。

1　系統架構

單一端口無源標簽接收到的射頻能量一部分參與反向散射調制通信，另一部分參與標簽內部電路的供電，即送入整流電路的射頻能量只是標簽天線接收的射頻能量的一部分。

本文提出的雙端口標簽采用兩套天線，通過電路設計來選擇參與通信的天線和參與供電的天線，使參與反向散射調制的能量和參與供電的能量相對獨立。圖1所示為本設計的雙端口標簽電路的基本框圖，其工作過程如下：標簽天線接收閱讀器發送的空間電磁波，整流電路首先將該射頻信號轉換成直流電壓，經穩壓電路處理后，為無源RFID芯片的射頻模擬前端和數字處理后端提供穩定的工作電壓，使標簽進入工作狀態。比較電路對兩套天線接收的射頻能量強度進行比較。開關電路控制兩路天線的選通狀態，使參與反向散射天線接收的射頻信號送入解調模塊進行解調，將解調后的信息送入數字處理模塊進行處理，并存入存儲器。需要返回的數據信息經數字處理模塊處理后，通過調制電路將該數據信息加載到射頻載波上，最后通過天線將返回數據信息發回閱讀器，從而完成UHF RFID系統的工作過程。

圖1　雙端口標簽基本框圖Fig 1　Basic block diagram of two-port tag

2　電路設計

2.1智能選擇電路

如前所述，本文設計的雙端口標簽的智能選擇是通過在傳統標簽電路的基礎上加入比較電路和開關電路來實現的。

如圖2(a)所示為本設計中所采用的比較器的電路結構，從功耗和延遲的角度考慮，比較器電路采用的是尾電流源型動態比較器。該電路具有輸入輸出隔離好，可靠性高等優點，且隨時鐘上升沿采樣，避免了電路延時大于信號變化而引起的比較結果失真的問題。

圖2(b)所示為本文設計的單刀雙擲開關電路，其工作原理為，當控制信號S為高電平時，NMOS管M10導通，以此選通輸入信號Rf1到輸出端Rf0的通路，此時天線1參與反向散射通信，天線2為專用供電天線；當S為低電平時，與之相反，從而實現雙天線工作模式的選擇控制。此外，NMOS管M12和M13的作用是在各自所屬的通道導通時關閉，進而增加通道的隔離度，其狀態與對應導通管M10和M11的狀態相反。

圖2　智能選擇電路Fig 2　Intelligent selection circuit

2.2整流電路

無源UHF RFID系統無內置電源，整個芯片的工作電源來自于整流電路。圖3給出了整流電路的電路圖，整流電路的設計目的是將小幅值的交流信號轉變為電平較高的直流電能。為了降低制作成本和工藝步驟，文中整流電路中的二極管采用與UMC 0.18 μm CMOS工藝完全兼容的二極管連接的零閾值MOS管[9]。電路由該二極管與電容級聯構成N級電荷泵，其電壓可表示為

VDD=2N(VRF-YTH)

(1)

式中N為電荷泵的級數，VRF為電荷泵接收到的射頻信號幅值，VTH為NMOS管的閾值電壓。從式(1)看出，整流后的輸出電壓VDD與級數N、電荷泵接收的射頻信號的幅值成正比，與管子的導通電壓成反比。此外，VRF受限于標簽與閱讀器的工作距離。電荷泵中過多的MOS管會增加整流電路的功耗，故電荷泵的級數不能無限制的增加，本文采用的電荷泵的級數為6。

圖3　整流電路原理圖Fig 3　Principle diagram of rectifier circuit

2.3穩壓電路

當標簽與閱讀器的距離較近時，VRF和VDD變大，較大的VDD會造成后續電路的擊穿，所以整流電路之后需要加一過壓保護電路，如圖4(a)所示。如圖4(b)所示后繼的穩壓電路是為標簽芯片其他電路工作提供穩定的電源電壓。啟動電路、電壓基準源和低功耗的誤差放大器構成了穩壓電路的整體。其中，采用零靜態功耗的啟動電路在實現電路功耗低的同時達到了保證電壓基準源電路脫離簡并點的設計目的。電壓基準源采用具有更高的電源抑制比的Cascode結構，提高輸出電壓的穩定性。誤差放大器采用帶有米勒電容和調零電阻的兩級運放結構，保證了整個反饋環路有更好的穩定性。

圖4　穩壓電路Fig 4　Regulator circuit

2.4解調電路和調制電路

圖5(a)是100 % ASK解調電路的設計方案，電路包括由兩級整流電路和負載構成的包絡檢測電路，RC低通濾波器、均值產生電路、比較電路以及兩級反向器組成的整形電路。均值產生電路由電阻和電容構成，作用是將包絡信號再次濾波來為后級比較器來產生參考比較電壓；最后經過遲滯比較器和反相整形電路得到穩定的數字信號。

圖5　解調與調制電路Fig 5　Demodulator and modulator

圖5(b)所示為調制電路的原理圖，調制電路與之相反，是將數字信號通過一定方式加載到高頻載波中，參與閱讀器與標簽之間的通信。設計中采用的調制方式為ASK(幅移鍵控)調制，即通過改變與天線相連的末端電路阻抗來改變匹配電路與天線的匹配程度，最終改變反向散射的電磁波的參數，從而完成反向散射的通信過程。

3　結果分析

本標簽芯片在標準UMC 0.18 μm CMOS工藝下實現。圖6顯示了比較電路的瞬態仿真結果，比較器的延時約為155.5 ps，靜態功耗幾乎為零。開關電路的仿真結果如圖7所示，從圖中可以看出，開關的插損為-0.64 dB，隔離度為-45.8 dB，端口回波損耗小于-25 dB，表明電路端口匹配良好。圖8所示為不同幅值的射頻信號經過穩壓電路后的仿真結果圖，從圖中可以看出，設計中500 mV的輸入電壓時，建立時間為7.615 μs，而1.5 V的輸入電壓的建立時間僅需1.882 μs，具有相對較短的建立時間。圖9、圖10所示分別為解調電路和調制電路的仿真結果圖。

圖6　比較電路的瞬態仿真圖Fig 6　Transient simulation diagram of comparator circuit

圖7　單刀雙擲開關電路的仿真結果Fig 7　Simulation result of SPDT switch

圖8　不同輸入電壓下的穩壓電路的輸出仿真結果Fig 8　Output simulation result of regulator under different input voltage

圖9　100 % ASK解調電路仿真結果Fig 9　Simulation result of 100 % ASK demodulator circuit

圖10　調制電路仿真結果Fig 10　Simulation result of modulator

從圖中可以看出：載波頻率915 MHz的ASK調制信號作為輸入信號的仿真結果正確；在40 kb/s速率下，解調電路可成功對信號進行解調。通過以上的仿真分析，可以看出本文所設計的雙端口標簽芯片模擬前端關鍵電路均可實現正常功能。標簽模擬前端整體版圖如圖11所示，并標示了標簽模擬部分電路的關鍵模塊，包括解調部分、調制部分、整流部分、穩壓部分和比較與開關部分。

圖11　標簽總體版圖Fig 11　Overall layout of tag

4　結　論

本文提出一種可以實現智能選擇的雙端口標簽方案，該智能的選擇是通過在原有的標簽芯片的基礎上加入比較電路和單刀雙擲開關電路來實現的。通過分析可知：該雙端口標簽在保證關鍵電路功能實現的同時，可有效提高射頻能量利用率，提高無源RFID系統的工作距離，改善系統性能。

[1]劉卿.無源UHF RFID電子標簽系統設計分析[J].電子世界，2013(16):21.

[2]鄒恒， 齊增亮， 羅友哲.UHF RFID的現狀及發展趨勢研究[J].電子技術與軟件工程，2014(23):43-44.

[3]楊學敏，曾煜，熊東.基于UHF RFID的物聯網前端讀寫器設計[J].傳感器與微系統， 2012，31(5):85-87.

[4]Lu Xiao，Wang Ping，Han Zhu,et al.Wireless networks with RF energy harvesting: A contemporary survey[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2015，17(2):757-789.

[5]王小輝，汪云甲，張偉,等.基于 RFID 的室內定位技術評述[J].傳感器與微系統，2009，28(2):1-3,7.

[6]王晉雄，馬磊，趙東艷,等.無源超高頻RFID標簽的模擬前端電路設計[J].半導體技術，2014(10):728-732,757.

[7]杜永乾，莊奕琪，李小明,等.低功耗UHF RFID射頻/模擬前端解決方案[J].華中科技大學學報:自然科學版， 2014(9):81-87.

[8]Yao Chia-Yu，Hsia Wei-Chun.A—21.2 dBm dual-channel UHF passive CMOS RFID tag design[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，2014，61(4):1269-1279.

[9]李鳳陽，毛陸虹，徐凱,等.帶新解調結構的UHF RFID標簽低功耗模擬前端設計[J].固體電子學研究與進展，2011(5):499-504.

Design of new type of passive two-port tag for UHF RFID system*

LI Mei-ling, XIE Sheng, MAO Lu-hong

(School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Aiming at problem of limited communication distance of passive UHF RFID systems,a design scheme for new type of passive two-port intelligent tag is proposed.Realization method of intelligent selection and principle of improving system identification distance are expounded,structures of other parts of circuit,including rectifier,voltage regulator,modulator and demodulator are also given,the circuit is realized based on 0.18 μm CMOS process.Simulation results show that each part of the circuit can work properly.

ultra high frequency radio frequency identification (UHF RFID); two-port tag; intelligent selection

2015—10—27

國家自然科學基金資助項目(61372011)

TN 432

A

1000—9787(2016)08—0090—04

李美苓(1987-)，女，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為模擬集成電路設計和射頻識別技術。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0090—04