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无源超高频射频识别标签设计中的关键技术研究

靳钊  
【摘要】:射频识别(RFID)可以在非接触的条件下实现对目标对象的自动识别,是物联网的核心支撑技术之一。无源超高频射频识别因标签成本低、工作距离远等优点最适合大规模应用。随着技术发展及市场推广,超高频射频识别技术的应用也必将越来越广泛。 本文在立足于RFID标签芯片的基础上,结合系统需求,对标签设计中的若干关键问题进行了研究并成功加以实现,提出了一组实现高性能无源超高频射频识别标签的解决方案。 首先,重点对芯片射频前端电路中的能量转换、反向散射调制及最大化能量传输等关键技术进行了研究。提出了两种电荷泵电路:一种是包含主副结构的电荷泵,副电荷泵为主电荷泵提供偏置电压,并利用二极管连接的MOS管有效抑制偏置电路的负载来提高偏置电压,减少了传统结构中的阈值损失对能量转换效率的影响,提供了良好的低压工作性能;一种是三级阈值补偿电荷泵,通过对整流管精确偏置消除阈值损失,大大提高了能量转换效率。并对反向散射调制电路模型中标签天线和芯片端口处功率波反射系数进行分析,研究了调制电路中元件参数对调制性能的影响,对调幅与调相结合的调制电路进行优化与实现。还提出了一种阻抗匹配网络的设计方法,通过修正芯片输入阻抗并联合天线的感抗完成芯片和天线间的阻抗匹配。 其次,在分析现有超高频射频识别天线阻抗匹配结构的基础上,提出了一种采用T型匹配结构的弯折偶极子天线设计。天线仿真与标签实测的结果都表明该天线满足芯片的要求且性能良好。本文还面向多种自研芯片,设计实现了一系列不同形式的标签天线。同时,针对单品级标签的应用需求,对UHF片上天线进行了研究,通过建模分析及理论推导得到决定片上天线性能的相关参数,在此基础上提出了一种满足芯片阻抗要求的3圈螺旋结构的RFID片上天线,其有效面积小于1mm~2。 最后,对使用TSMC 0.18μm RF工艺生产的芯片及封装的标签进行了测试验证。为了解决芯片实际工作状态下的阻抗难以直接测量的问题,提出了一种基于源牵引的RFID芯片阻抗及灵敏度的测量方法。通过监测电荷泵输出电压来标识芯片状态,使用网络分析仪测量对应状态下源牵引调配器的双端口S参数,可方便地计算出芯片阻抗和灵敏度。根据实测芯片阻抗数据设计天线所完成的RFID标签在实测过程中性能良好,写操作距离达到3m,最大识读距离可达8m。


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