RFID（Radiofrequencyidentification）是近年來(lái)興起的一種發(fā)展迅速的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別的目的并交換數(shù)據(jù)。RFID作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。RFID技術(shù)已經(jīng)被世界公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。

RFID標(biāo)簽包含天線(xiàn)和芯片，二者均具有復(fù)數(shù)阻抗。對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，因?yàn)闃?biāo)簽工作所需功耗全部來(lái)源于讀寫(xiě)器發(fā)射的射頻能量，所以天線(xiàn)和芯片之間能否實(shí)現(xiàn)良好的匹配和功率傳輸，直接影響到系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，也很大程度上決定了標(biāo)簽的關(guān)鍵性能。

目前已有的阻抗匹配方法大都較為復(fù)雜，用于RFID芯片時(shí)標(biāo)簽識(shí)別準(zhǔn)確率較低，效果并不理想。文中提出了一種用于無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片的低成本阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，該匹配網(wǎng)絡(luò)集成于標(biāo)簽芯片內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在標(biāo)簽天線(xiàn)和芯片之間以及標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間實(shí)現(xiàn)了最大的功率傳輸，改善了芯片性能并提高了讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽反射信號(hào)的識(shí)別率。

1　RFID標(biāo)簽阻抗匹配分析

1.1.1　RFID原理與標(biāo)簽組成

常見(jiàn)的RFID系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽組成。讀寫(xiě)器向標(biāo)簽發(fā)送射頻連續(xù)波（Continuous2wave，簡(jiǎn)稱(chēng)CW），激活標(biāo)簽芯片并將命令和數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻電磁波中。處在讀寫(xiě)器電磁場(chǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)簽通過(guò)倍壓整流電路將較小的輸入電壓提升到可供標(biāo)簽芯片正常工作所需的電壓值，并將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?；由于芯片輸入電壓變化范圍較大，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，需要加入穩(wěn)壓電路；標(biāo)簽解調(diào)模塊從接收到的射頻連續(xù)波中解調(diào)出命令和數(shù)據(jù)，送到數(shù)字基帶模塊；數(shù)字基帶模塊按照協(xié)議，根據(jù)接收到的指令完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、發(fā)送或其他操作［4］；返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)簽通過(guò)改變自身的阻抗改變天線(xiàn)的反射系數(shù)，將調(diào)制反射信號(hào)發(fā)回給讀寫(xiě)器。時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供芯片工作所需時(shí)鐘頻率，并通過(guò)讀寫(xiě)器發(fā)送的時(shí)鐘校準(zhǔn)信息校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步；上電復(fù)位電路一方面對(duì)基帶處理器進(jìn)行復(fù)位，另一方面為調(diào)制反射電路提供使能信號(hào)。

圖1所示為RFID標(biāo)簽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，芯片包含射頻模擬前端、數(shù)字基帶和非易失性存儲(chǔ)器（NVM）三部分，其中射頻？模擬前端基本功能模塊包括：阻抗匹配、倍壓整流、調(diào)制、解調(diào)、穩(wěn)壓、上電復(fù)位、時(shí)鐘產(chǎn)生等。

圖1　射頻識(shí)別標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1.2　阻抗匹配分析

圖2所示是標(biāo)簽的戴維寧等效電路，已被很多研究者用來(lái)解決各種天線(xiàn)問(wèn)題。其中射頻信號(hào)在天線(xiàn)上感應(yīng)出的開(kāi)路交流電壓是Va，芯片輸入電壓是Vc，天線(xiàn)輸入阻抗Za=Ra+jXa，芯片輸入阻抗Zc=Rc+jXc。而芯片輸入阻抗的實(shí)部主要由倍壓整流電路和負(fù)載決定，虛部主要由倍壓整流電路、調(diào)制解調(diào)電路和ESD決定。Za和Zc都隨工作頻率的變化而變化，而且在實(shí)際應(yīng)用中，不同的輸入功率下Zc的值也有差異。本文在輸入功率等于芯片正常工作所需最小功率的情況下，完成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。為了得到最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線(xiàn)共軛匹配。

圖2　RFID標(biāo)簽等效電路圖

L型匹配是實(shí)現(xiàn)射頻到直流高效率轉(zhuǎn)換時(shí)使用的一種阻抗匹配方法，通過(guò)串聯(lián)的電感和芯片中的電容諧振的方法，達(dá)到匹配的目的。對(duì)于RFID標(biāo)簽芯片來(lái)說(shuō)，在很小的面積內(nèi)集成電感是不現(xiàn)實(shí)的。因此，通過(guò)下文的方法對(duì)芯片的輸入阻抗進(jìn)行修正，達(dá)到利用電感La進(jìn)行L型匹配的目的。

兩個(gè)具有復(fù)數(shù)阻抗的器件直接相連的情況下，接口處復(fù)功率波反射系數(shù)定義為s，應(yīng)用于RFID標(biāo)簽可得：

芯片在和天線(xiàn)阻抗共軛匹配（狀態(tài)0）和失配（狀態(tài)1）時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入阻抗分別為Zc0和Zc1，通過(guò)阻抗修正，天線(xiàn)阻抗的虛部被加入芯片內(nèi)，修正后的天線(xiàn)阻抗只保留了實(shí)部Ra，如圖3所示。芯片的輸入電壓可由公式（3）計(jì)算：

由于無(wú)源RFID芯片工作所需能量完全來(lái)自于空間電磁場(chǎng)，所以輸入電壓Vc具有足夠高的值是倍壓整流電路能夠開(kāi)啟并提供正常工作電壓的關(guān)鍵，也是決定標(biāo)簽工作性能的重要參數(shù)。

RFID標(biāo)簽的RCS（雷達(dá)散射截面）是芯片輸入阻抗的函數(shù)，由經(jīng)典的雷達(dá)方程可得RCS的值：

其中K是波長(zhǎng)，G是標(biāo)簽天線(xiàn)增益，兩種芯片輸入阻抗?fàn)顟B(tài)下對(duì)應(yīng)的不同的RCS值可以讓讀寫(xiě)器從調(diào)制反射信號(hào)的幅度上分辨標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。矢量微分RCS更進(jìn)一步讓讀寫(xiě)器探測(cè)到調(diào)制反射信號(hào)的相對(duì)相位特性。以△Ｖ來(lái)標(biāo)注該矢量的模：

2　提出的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

2.1.1　原理分析

當(dāng)標(biāo)簽工作在923MHz頻帶，芯片處于最小輸入功率，未調(diào)制狀態(tài)的情況下，使用安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)測(cè)未加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的芯片輸入阻抗為22-j106歐。根據(jù)芯片輸入阻抗特點(diǎn)，選用Q值較大的標(biāo)簽天線(xiàn)。天線(xiàn)的輸入阻抗為15+j88歐，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)如圖4所示，其中La=1512nH。

開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)時(shí)，芯片處于狀態(tài)0。在圖5所示的從標(biāo)簽芯片輸入阻抗到天線(xiàn)的共軛阻抗的匹配路徑上，點(diǎn)1處阻抗為22-j106歐；并聯(lián)電容Ccm后與158等電阻圓交于點(diǎn)2，阻抗為15-j888；再串聯(lián)電感La到達(dá)點(diǎn)3，其阻抗為158，與修正過(guò)后的天線(xiàn)阻抗Ra共軛匹配。經(jīng)計(jì)算可以得到Ccm=340fF。

天線(xiàn)和芯片接口處沒(méi)有復(fù)功率波反射，芯片和天線(xiàn)的共軛匹配使天線(xiàn)將從空中接收到的射頻能量的一半傳遞給芯片，達(dá)到功率傳輸?shù)淖畲蠡ｉ_(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，芯片處于狀態(tài)1。圖6所示為標(biāo)簽芯片輸入阻抗變化的路徑。

2.1.2　性能比較

在未進(jìn)行阻抗匹配的情況下，芯片Qc的值為4182；加入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，在芯片和天線(xiàn)阻抗共軛匹配狀態(tài)下，Qc增大到5187，由公式（3）可得芯片獲得的交流電壓Vc增大到原來(lái)的111倍，改善了芯片的性能。

通過(guò)比較可知，本芯片的矢量微分RCS的模值要大1015dB，大大改善了標(biāo)簽反射信號(hào)的可識(shí)別性，提高了讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽識(shí)別的準(zhǔn)確率。

2.1.3　電路實(shí)現(xiàn)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)由電容Ccm和開(kāi)關(guān)K1兩部分組成，如圖7所示。為了保證兩個(gè)天線(xiàn)引腳間電路的對(duì)稱(chēng)，Ccm采用兩個(gè)電容并聯(lián)的形式，每個(gè)大小為170fF；K1由兩個(gè)PMOS開(kāi)關(guān)管組成，PMOS由基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路（圖7中A部分）后驅(qū)動(dòng)，因此PMOS的柵極可以獲得更高的柵壓，保證關(guān)斷狀態(tài)可靠截止；B部分為上電保護(hù)電路，保證數(shù)字基帶給出的上電復(fù)位信號(hào)處在穩(wěn)定狀態(tài)下芯片才能進(jìn)入調(diào)制反射，避免了由于數(shù)字基帶電路復(fù)位前狀態(tài)不確定而導(dǎo)致芯片在無(wú)法獲得工作能量的情況下反射。PMOS開(kāi)關(guān)管和NMOS上電保護(hù)管均采用網(wǎng)狀柵極結(jié)構(gòu)，增大MOS管的寬長(zhǎng)比，有利于減小MOS管的電阻和寄生電容。

3　測(cè)試結(jié)果

所設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽芯片基于chartered0135Lm2P4M、低閾值CMOS工藝流片，芯片尺寸1026Lm×1796Lm，圖8為芯片的顯微照片。實(shí)際使用過(guò)程中，芯片僅有兩個(gè)引腳與天線(xiàn)相連，圖中所顯示的其余引腳均為測(cè)試所用，連接對(duì)應(yīng)的模擬或數(shù)字信號(hào)。

倍壓電路的輸出電平是決定RFID芯片工作性能的重要指標(biāo)，采用本阻抗匹配電路的芯片在輸入交流電平僅為300mV時(shí)，輸出直流電平可達(dá)1147V，完全滿(mǎn)足芯片正常工作所需電平要求。1800026C中規(guī)定的RFID工作頻帶為860～960MHz，與我國(guó)的規(guī)定［11］在920～925MHz頻段相重合，因此所設(shè)計(jì)的RFID標(biāo)簽工作在923MHz頻帶。

使用Impinj公司的speedway讀寫(xiě)器，設(shè)置發(fā)送功率為2WERP，標(biāo)簽天線(xiàn)增益115dBi，在自由空間中進(jìn)行測(cè)試。使用安捷倫1682A邏輯分析儀測(cè)試信號(hào)波形如圖9，圖中“clk-240k”為系統(tǒng)工作時(shí)鐘，頻率為240kHz；“din-dump”為解調(diào)輸出信號(hào)；“d-out”為調(diào)制輸出信號(hào)。測(cè)試表明，采用該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽在和讀寫(xiě)器通信的過(guò)程中，誤碼率低于10-4，標(biāo)簽的一次識(shí)別更為準(zhǔn)確。

4　結(jié)論

提出了一種符合ISO1800026C標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源RFID標(biāo)簽的低成本的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在讀寫(xiě)器、標(biāo)簽天線(xiàn)和芯片之間實(shí)現(xiàn)了功率傳輸?shù)淖畲蠡?。采用該阻抗匹配方法的?biāo)簽芯片已通過(guò)chartered0135LmCMOS工藝流片驗(yàn)證。理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果都表明，該方法有效的改善了芯片性能，提高了讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽識(shí)別的準(zhǔn)確率，標(biāo)簽滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。