SRD建模及其在无芯片RFID系统中的应用*

张精华，郭海燕，邹传云

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

随着物联网技术的蓬勃发展，无芯片射频识别技术逐渐成为了一种非常有应用前景的技术，预计在2020能够替代传统的光学条形码技术[1-3]。在无芯片射频识别系统中，射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)阅读器发送(Ultra-WideBand, UWB)射频查询信号，并且监听标签结构的发射回波，通过对回波信号特征的检测，实现标签标识码的检索。超宽带脉冲信号的类型主要有阶跃脉冲、高斯脉冲、单周期脉冲和多周期脉冲，这四种脉冲都具有宽的频谱。其中阶跃脉冲和高斯脉冲含有较大的直流分量而不容易通过天线发射出去，因此适用于接收机中。单周期脉冲由于具有不含有直流分量和低频分量少的特点，经常用于发射机电路当中[4]。在本文中脉冲发生器应用于无芯片RFID系统中，采用的脉冲是单周期脉冲信号和高斯脉冲信号。能够实现脉冲信号的核心器件有很多，如雪崩晶体三极管、隧道二极管、阶跃恢复二级管(Step Recovery Diodes，SRD)等。

本文主要通过对无芯片RFID系统关键器件中SRD的建模分析，提出了一种基于SRD的可重构脉冲发生器方案，并对电路进行分析和仿真。仿真结果表明脉冲的宽度和波形可分别由RC微分电路和PIN二极管所调控，为实现复杂的多周期脉冲信号提供了良好的调制基础。

1 SRD计算机模型

在计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)软件技术的发展过程中，人们提出了一些SRD模型。其中，参考文献[5]介绍了一种基于器件传输过程的模型，但是不能用于仿真软件中；Goldman[6]提出一种基于p-n结的模型，但不能体现出SRD的非线性的电容特性；在此基础上，文献[7]提出了一种基于p-n结和非线性电容的CAD等效电路模型，这种模型不仅能完整的呈现SRD的显著的非线性特性，而且能应用在脉冲的仿真设计中。

1.1 SRD等效电路模型

SRD等效电路模型如图1所示。其中，Cf是SRD在正向偏压下的扩散电容，Cr是SRD在反向偏压下的耗尽层电容，Rs是SRD内部的等效串联电阻，V0是p-n结的势垒电位，Lp和Cp分别是其等效寄生电感和寄生电容。SRD的内部电容变化是建立CAD仿真模型的关键要素。一个理想的SRD可以看作为一个从高阻抗状态到低阻抗状态的PIN开关二极管，与之相对应的小的反向偏置电容(耗尽层电容Cr)和大的正向偏置电容(扩散电容Cf)状态能够在接近于零切换时间里完成状态的转变。而结电容从Cf转换到Cr的时间取决于从i层抽取电荷的速度。当正向偏压减小时，开始产生斜坡状电压，在这之后，出现了一个快速阶跃时间，最后直到所有的电荷都从i层抽取出来，转变为关断状态。然后，电压变为负极性时，SRD继续变为非导通状态。一个典型的SRD的C-V曲线如图2所示。其中线段AB和CD分别为SRD的导通和非导通状态的偏置电容变化。从图中可以看出，线段AB过程中，随着反方向的电压值的增大，偏置电容一直很小，并且其电容值的变化也很小。BC段曲线表征了二极管的开关过程。然而，当SRD进入正向偏置时，结电容迅速变得相当大，这种快速变化的开关特性为脉冲的形成提供了有利的条件，变化的过程可由图中CD段抛物曲线所描述。在CD段中，正向偏置电容越小，模型的非线性特性越弱。反之，正向偏置电容越大时，其模型中除了具有显著的非线性电容特性以外，常常伴随着非线性并联电阻特性，这种特性可以通过正向偏置电压和射频输入信号源的功率来调控。通过以上对SRD的内部p-n结特性的分析，可得到它的CAD模型并且应用到电路设计的仿真实验中。

图1 SRD等效电路模型

图2 SRD的C-V曲线

1.2 SRD计算机仿真模型

通过以上的分析可以得出，SRD是一个分段式非线性模型，包含三个阶段：反向偏置电压下的小电容模型；线性的斜坡模型;正向偏置电压下的大电容模型。SRD的偏置电容与偏置电压的关系如公式(1)所示[8]：

(1)

其中，Vd是穿过SRD的结电压，Cr为反向偏置电容，τ为少数载流子的寿命，Rf为正向偏置电阻，Fc为正向偏置耗尽层电容公式系数，V0为p-n结的势垒电压。当SRD处于正向偏置时，p-n结看作为动态电阻Rf。Cf,Rf和少数载流子的寿命τ的关系式如公式(2)所示：

τ=RfCf

(2)

图3 CAD中的SRD仿真模型

其中SRD的少数载流子的寿命τ由生产厂家给出。图3所示为CAD中的SRD仿真模型。Csrd部分可通过公式(1)中的方程式关系建立象征性定义模型(Symbolically Defined Devices，SDD)导入射频电路设计软件ADS中，二极管部分可用ADS中普通的二极管模型替代。

1.3 可重构脉冲发生器电路设计

本文所提出的基于SRD的可重构超宽带脉冲发生器电路原理图如图4所示，它主要包含三个部分:高斯脉冲发生器部分、脉冲整形部分和电路负载部分。

图4 可重构超宽带脉冲发生器

高斯脉冲发生器部分把10 MHz的正弦波作为输入信号，利用SRD的快速开关特性和短路传输线反射信号的原理产生高斯脉冲。正弦信号驱动串联SRD产生一个过渡时间很短的阶跃脉冲信号，这个脉冲信号分成两个等效的脉冲信号，分别沿着短路线和脉冲整形部分传输。从短路传输线反射的信号与下一个入射的阶跃脉冲信号在SRD和短路线传输线节点处组合形成高斯脉冲信号。高斯脉冲持续时间(脉冲宽度)取决于短路传输线的长度。短路传输线的长度和脉冲宽度的关系如公式(3)所示。

(3)

其中Td是脉冲的持续时间，Ld是短路传输线的长度；Vp是波在传输线中传播速度，传播速度与短路传输线的有效介电常数有关，如公式(4)所示。

(4)

此处C为光在真空中的传播速度。有效介电常数εe可由公式(5)得到[7]：

(5)

图5 ADS仿真电路图

式中εr为传输线的基片相对介电常数；d为介质板的厚度；w为传输线的宽度。假设短路传输线的特性阻抗为50 Ω，当εr=3.38、d=0.203 mm、w=1.39 mm时，获得200 ps脉宽所需的传输线长度约为12.5 mm。因此，可以通过控制传输线的长度来改变脉冲的宽度。ADS仿真电路图如图5所示。

通过ADS仿真得到高斯脉冲宽度随着传输线长度变化的情况，如图6所示。从图中可以看出，短路传输线的长度越短脉冲的持续时间就越短，其幅值却越来越小。文献[10]中通过两个相位相差180°的高斯脉冲波形和一定的延长时间产生单周期脉冲。但是，这种方法得到的单周期脉冲持续时间是原始的高斯脉冲信号持续时间的两倍。

为了降低单周期脉冲的持续时间，本文使用RC微分电路产生单周期脉冲。这个微分电路主要由负载阻抗RL和电容Cd组成，如图4所示。为了保证高斯脉冲信号和微分电路的有效耦合，耦合电容Cc的值要远远大于微分器中电容Cd的值。假设一个高斯脉冲信号模型如公式(6)所示：

p(A,t,fc)=Ae-2π(fct)2

(6)

则经过微分电路形成的单周期脉冲信号模型如公式(7)所示：

(7)

公式(6)、(7)中A是脉冲的幅值，fc是其中心频率，t为时间。fc=1/2πRLCd,RL=50 Ω，带宽范围为1～3 GHz，则相应的电容Cd的范围为1.06～3.18 pF。

为了使脉冲发生器具有脉冲调节的功能，需要在Cd上并联一个PIN二极管。当PIN二极管开启时，具有高频特性的脉冲信号通过二极管，此时二极管阻抗值等效为很小的电阻Rf(通常为0.5～5 Ω)，可以旁路掉Cd的大部分电容，使得微分电路失效，从而输出的是高斯脉冲信号。反之，当PIN二极管处于关断状态时，PIN二极管可以等效为一个小电容Cp(一般小于1 pF)，在高频条件下，呈现出很大的阻抗。因而，微分电容的有效值Ceff=Cd+Cp，此时输出的是单周期脉冲信号。综上所述，电路主要参数如表1所示。

图6 不同的传输线长度的高斯脉冲

功能型号主要参数输入信号正弦信号f=10MHz,Vs=5V传输线TL1w=1.39mm,L=12.5mm基片介质RO4003εr=3.38,d=0.203mmSRDMP4023τ=15ns,Tt=50ps,Cr=0.2～0.5pF分立器件R、CRs=RL=50Ω,Cc=10nF,Cd=1.06～3.18pFPIN二极管SMP1320Rf=0.75Ω,Cp=0.23pF

根据图3建立的SRD模型以及表1中的电路参数在ADS中进行仿真。仿真结果如图7所示。

图7 脉冲发发生器的仿真结果

仿真结果表明，在以上参数的条件下能够产生半峰脉宽为330 ps的高斯脉冲和670 ps的单周期脉冲，峰峰幅值分别为447 mV和379 mV，产生的振铃分别为-19.03 dB和-26.41 dB。通过跟其他可重构脉冲电路研究对比发现，本文仿真结果具有良好的调控和低振铃特性，如表2所示，其中SD为肖特基二极管。

表2 同类脉冲发生器参数对比

2 结论

本文首先提出了一种减弱SRD非线性的模型，该模型脉冲发生器的仿真表明其具有更高的通用性，并且可以直接应用于商业电路仿真中SRD电路的设计。在此基础上，设计了一款可重构超宽带脉冲发生器，利用PIN二极管的开关特性控制高斯脉冲信号和单周期脉冲信号的输出，并且可调节微带传输线的长度来控制脉冲的宽度。这种可重构和脉冲波形输出可控的特点，可以将应用到无芯片RFID系统中，从而简化电路结构，降低生产成本。

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