新型无源UHF RFID双端口标签设计*

李美苓， 谢　生， 毛陆虹

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)



新型无源UHF RFID双端口标签设计*

李美苓， 谢生， 毛陆虹

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)

针对无源UHF RFID系统通信距离受限的问题，提出了一种新型无源双端口智能标签的设计方案。阐述了智能选择的实现方法以及提高系统识别距离的原理，并给出了标签其他部分电路包括整流及稳压电路、调制电路和解调电路的电路结构，电路基于0.18 μm CMOS工艺实现。仿真结果表明：各部分电路均可实现正常功能。

超高频射频识别(UHF RFID)； 双端口标签； 智能选择

0　引　言

超高频射频识别(UHF RFID)系统最基本的构成包括阅读器(reader)和电子标签(tag)两部分。无源标签具有体积小、成本低、使用寿命不受限等优点，广泛应用于物流仓储、资产管理、交通运输、公共安全等各个领域[1～3]。

无源标签将天线接收到的射频能量经过整流电路进行能量转换，供模拟电路、数字电路及存储器分配[4,5]，这给电路的低功耗设计、远距离通信带来极大挑战。王晋雄等人[6]提出新型的整流电路结构，将整流电路的转换效率提高到了30 %，同时降低了稳压电路的功耗，实现为数字电路提供1V电压的同时功耗为500 nA。杜永乾等人[7]将射频/模拟前端通过系统分区和分时供电对系统功耗进行了优化，实现读取距离大于6 m。Yao Chia-Yu等人[8]提出双端口标签方案，其中一路端口采用915 MHz作为电源管理系统供电电路，另一路采用433 MHz作为数据传输通道，不影响供电系统的同时为数字部分提供所需时钟，最终实现标签工作距离达到19.6 m，但是无源标签用于接收射频信号的天线是定向天线，当阅读器与标签之间的角度存在一定偏差时，标签天线在此方向上的增益很低，因此,接收到的射频能量较低，从而无法维持后续整流模块的工作，影响整个系统的供电。

本文提出一种可实现智能选择的双端口UHF RFID标签方案，即射频标签采用2套天线，一套天线专门接收射频能量，提供芯片所需工作电压，而另一套天线参与反向散射通信，两路天线的功能通过电路控制实现。系统供电和数据通信均采用915MHz实现，可有效保证标签整流电路接收的射频能量最大化，为远距离通信提供能量保障。

1　系统架构

单一端口无源标签接收到的射频能量一部分参与反向散射调制通信，另一部分参与标签内部电路的供电，即送入整流电路的射频能量只是标签天线接收的射频能量的一部分。

本文提出的双端口标签采用两套天线，通过电路设计来选择参与通信的天线和参与供电的天线，使参与反向散射调制的能量和参与供电的能量相对独立。图1所示为本设计的双端口标签电路的基本框图，其工作过程如下：标签天线接收阅读器发送的空间电磁波，整流电路首先将该射频信号转换成直流电压，经稳压电路处理后，为无源RFID芯片的射频模拟前端和数字处理后端提供稳定的工作电压，使标签进入工作状态。比较电路对两套天线接收的射频能量强度进行比较。开关电路控制两路天线的选通状态，使参与反向散射天线接收的射频信号送入解调模块进行解调，将解调后的信息送入数字处理模块进行处理，并存入存储器。需要返回的数据信息经数字处理模块处理后，通过调制电路将该数据信息加载到射频载波上，最后通过天线将返回数据信息发回阅读器，从而完成UHF RFID系统的工作过程。

图1　双端口标签基本框图Fig 1　Basic block diagram of two-port tag

2　电路设计

2.1智能选择电路

如前所述，本文设计的双端口标签的智能选择是通过在传统标签电路的基础上加入比较电路和开关电路来实现的。

如图2(a)所示为本设计中所采用的比较器的电路结构，从功耗和延迟的角度考虑，比较器电路采用的是尾电流源型动态比较器。该电路具有输入输出隔离好，可靠性高等优点，且随时钟上升沿采样，避免了电路延时大于信号变化而引起的比较结果失真的问题。

图2(b)所示为本文设计的单刀双掷开关电路，其工作原理为，当控制信号S为高电平时，NMOS管M10导通，以此选通输入信号Rf1到输出端Rf0的通路，此时天线1参与反向散射通信，天线2为专用供电天线；当S为低电平时，与之相反，从而实现双天线工作模式的选择控制。此外，NMOS管M12和M13的作用是在各自所属的通道导通时关闭，进而增加通道的隔离度，其状态与对应导通管M10和M11的状态相反。

图2　智能选择电路Fig 2　Intelligent selection circuit

2.2整流电路

无源UHF RFID系统无内置电源，整个芯片的工作电源来自于整流电路。图3给出了整流电路的电路图，整流电路的设计目的是将小幅值的交流信号转变为电平较高的直流电能。为了降低制作成本和工艺步骤，文中整流电路中的二极管采用与UMC 0.18 μm CMOS工艺完全兼容的二极管连接的零阈值MOS管[9]。电路由该二极管与电容级联构成N级电荷泵，其电压可表示为

VDD=2N(VRF-YTH)

(1)

式中N为电荷泵的级数，VRF为电荷泵接收到的射频信号幅值，VTH为NMOS管的阈值电压。从式(1)看出，整流后的输出电压VDD与级数N、电荷泵接收的射频信号的幅值成正比，与管子的导通电压成反比。此外，VRF受限于标签与阅读器的工作距离。电荷泵中过多的MOS管会增加整流电路的功耗，故电荷泵的级数不能无限制的增加，本文采用的电荷泵的级数为6。

图3　整流电路原理图Fig 3　Principle diagram of rectifier circuit

2.3稳压电路

当标签与阅读器的距离较近时，VRF和VDD变大，较大的VDD会造成后续电路的击穿，所以整流电路之后需要加一过压保护电路，如图4(a)所示。如图4(b)所示后继的稳压电路是为标签芯片其他电路工作提供稳定的电源电压。启动电路、电压基准源和低功耗的误差放大器构成了稳压电路的整体。其中，采用零静态功耗的启动电路在实现电路功耗低的同时达到了保证电压基准源电路脱离简并点的设计目的。电压基准源采用具有更高的电源抑制比的Cascode结构，提高输出电压的稳定性。误差放大器采用带有米勒电容和调零电阻的两级运放结构，保证了整个反馈环路有更好的稳定性。

图4　稳压电路Fig 4　Regulator circuit

2.4解调电路和调制电路

图5(a)是100 % ASK解调电路的设计方案，电路包括由两级整流电路和负载构成的包络检测电路，RC低通滤波器、均值产生电路、比较电路以及两级反向器组成的整形电路。均值产生电路由电阻和电容构成，作用是将包络信号再次滤波来为后级比较器来产生参考比较电压；最后经过迟滞比较器和反相整形电路得到稳定的数字信号。

图5　解调与调制电路Fig 5　Demodulator and modulator

图5(b)所示为调制电路的原理图，调制电路与之相反，是将数字信号通过一定方式加载到高频载波中，参与阅读器与标签之间的通信。设计中采用的调制方式为ASK(幅移键控)调制，即通过改变与天线相连的末端电路阻抗来改变匹配电路与天线的匹配程度，最终改变反向散射的电磁波的参数，从而完成反向散射的通信过程。

3　结果分析

本标签芯片在标准UMC 0.18 μm CMOS工艺下实现。图6显示了比较电路的瞬态仿真结果，比较器的延时约为155.5 ps，静态功耗几乎为零。开关电路的仿真结果如图7所示，从图中可以看出，开关的插损为-0.64 dB，隔离度为-45.8 dB，端口回波损耗小于-25 dB，表明电路端口匹配良好。图8所示为不同幅值的射频信号经过稳压电路后的仿真结果图，从图中可以看出，设计中500 mV的输入电压时，建立时间为7.615 μs，而1.5 V的输入电压的建立时间仅需1.882 μs，具有相对较短的建立时间。图9、图10所示分别为解调电路和调制电路的仿真结果图。

图6　比较电路的瞬态仿真图Fig 6　Transient simulation diagram of comparator circuit

图7　单刀双掷开关电路的仿真结果Fig 7　Simulation result of SPDT switch

图8　不同输入电压下的稳压电路的输出仿真结果Fig 8　Output simulation result of regulator under different input voltage

图9　100 % ASK解调电路仿真结果Fig 9　Simulation result of 100 % ASK demodulator circuit

图10　调制电路仿真结果Fig 10　Simulation result of modulator

从图中可以看出：载波频率915 MHz的ASK调制信号作为输入信号的仿真结果正确；在40 kb/s速率下，解调电路可成功对信号进行解调。通过以上的仿真分析，可以看出本文所设计的双端口标签芯片模拟前端关键电路均可实现正常功能。标签模拟前端整体版图如图11所示，并标示了标签模拟部分电路的关键模块，包括解调部分、调制部分、整流部分、稳压部分和比较与开关部分。

图11　标签总体版图Fig 11　Overall layout of tag

4　结　论

本文提出一种可以实现智能选择的双端口标签方案，该智能的选择是通过在原有的标签芯片的基础上加入比较电路和单刀双掷开关电路来实现的。通过分析可知：该双端口标签在保证关键电路功能实现的同时，可有效提高射频能量利用率，提高无源RFID系统的工作距离，改善系统性能。

[1]刘卿.无源UHF RFID电子标签系统设计分析[J].电子世界，2013(16):21.

[2]邹恒， 齐增亮， 罗友哲.UHF RFID的现状及发展趋势研究[J].电子技术与软件工程，2014(23):43-44.

[3]杨学敏，曾煜，熊东.基于UHF RFID的物联网前端读写器设计[J].传感器与微系统， 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]王小辉，汪云甲，张伟,等.基于 RFID 的室内定位技术评述[J].传感器与微系统，2009，28(2):1-3,7.

[6]王晋雄，马磊，赵东艳,等.无源超高频RFID标签的模拟前端电路设计[J].半导体技术，2014(10):728-732,757.

[7]杜永乾，庄奕琪，李小明,等.低功耗UHF RFID射频/模拟前端解决方案[J].华中科技大学学报:自然科学版， 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]李凤阳，毛陆虹，徐凯,等.带新解调结构的UHF RFID标签低功耗模拟前端设计[J].固体电子学研究与进展，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

国家自然科学基金资助项目(61372011)

TN 432

A

1000—9787(2016)08—0090—04

李美苓(1987-)，女，河北沧州人，硕士研究生，主要研究方向为模拟集成电路设计和射频识别技术。

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