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基于片上天线的无源超高频射频识别标签的射频前端设计

奚经天  
【摘要】: 射频识别技术是一种利用无线射频方式进行非接触式双向通信的自动识别技术。近年来,单品级标签的研发成为射频识别技术领域新的热点。单品级标签可以为采用射频识别技术的客户带来更大的收益,它也标志着射频识别技术更深层次的推广与应用。针对单品级标签对成本和体积的苛刻要求,本文结合超高频近场射频识别技术提出以片上无源器件为实现形式的一组解决方案。 首先,本文利用电小天线理论确定了超高频片上天线的工作机制与天线类型,从磁场分布、路径增益、等效模型三个角度讨论了片上天线的无线链路,明确了苛刻的芯片面积导致超高频片上天线与阅读器环天线的典型耦合系数仅为1‰,这是在超高频无源标签上成功集成片上天线的一大挑战。通过对寄生损耗的分析,确定了适用于超高频片上天线的集总模型,并提出了一套符合物理意义的模型参数提取方法,而且该模型可以为片上天线的优化实现提供指导。本文探讨了利用超高频片上天线来实现标签芯片与片外天线之间基于磁场耦合的电连接,这种新型标签封装可以消除传统方式成本偏高、可靠性差的缺点。 其次,本文讨论了标签阻抗匹配的特点,量化分析了水、金属、玻璃和干燥纸板这四种常见环境对标签天线阻抗的影响,从而为标签可调阻抗匹配网络的匹配区域设计提供依据。本文提出了一种适用于无源超高频标签的自动阻抗匹配系统,其中重点分析了片上π型匹配网络的阻抗匹配范围以及寄生的影响,并探讨了利用标签整流器输出电压或者标签雷达散射截面进行阻抗失配探测的可行性。 最后,本文在SMIC 0.18um CMOS RF工艺上流片实现了两款超高频片上天线和一款集成片上天线且兼容EPC C1G2协议的无源超高频标签芯片。测试结果与理论预测基本相符,验证了本文提出的超高频片上天线的集总模型以及片上天线近场信道模型的有效性,并且表明超高频片上天线可以获得cm级的通信距离。


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