半有源超高频射频识别标签芯片的研究与设计

论文摘要

射频识别是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递的自动识别技术。半有源标签使用电池对标签内部实现信号处理与数据存储的电路有源供电,但采用无源标签的反向散射机制实现与读写器的通信。电池在半有源标签中的使用,解决了困扰无源标签的能量瓶颈,使得半有源标签有望在识读距离和识别率性能上获得较大提升,同时,也为传感器和安全通信在标签中的实现提供了可能。本文首先借助对超高频射频识别系统物理通信机制以及信号传输方式的研究,理论地论证了半有源标签对提升识读距离和识别率起到的贡献。对于识读距离,本文将读写器正确信号检测的需求引入反向散射超高频射频识别系统的能量传输链路中,改进了计算系统识读距离的数学方法。通过分析不同设计水平下识读距离的制约因素,给出了半有源标签识读距离的上限。对于识别率,本文以超高频射频识别室内信道模型为基础,对半有源标签的识别率性能进行了定量分析。通过研究标签识读距离的概率特性,提出了安全识读距离的概念。根据上述理论分析得到的设计指标,本文接着对半有源标签芯片的设计和优化方法展开讨论。针对延长标签使用寿命和增加新功能等要求,本文研究和解决了半有源标签芯片设计中的三项关键技术。它们是兼顾高灵敏度通信和无线充电功能的整流器、低功耗高性能的唤醒电路,以及片上真随机数发生器。最后,结合上述三项芯片设计关键技术,本文在SMIC 0.18/μm EEPROM CMOS工艺下设计和实现了一款具有实时温度传感和温度日志功能的半有源超高频标签芯片。通过引入相关辅助电路,解决了传感器使用中涉及到的定时和实时温度读取的共存以及唤醒冲突等问题,实现了准恒流-恒压无线充电和电池过压保护。经测试验证,芯片的实际灵敏度为-23.7 dBm,休眠电流150 nA。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1. 研究背景
• 1.1.1. 什么是射频识别
• 1.1.2. 什么是半有源标签
• 1.2. 研究现状
• 1.2.1. 标准
• 1.2.2. 标签芯片设计技术
• 1.2.3. 其它相关技术
• 1.2.4. 课题研究难点
• 1.3. 论文主要贡献
• 1.4. 论文组织架构
• 参考文献
• 第二章 超高频射频识别的物理基础
• 2.1. 电磁学基础
• 2.2. 反向散射调制原理
• 2.3. 信号编码与调制
• 2.4. 小结
• 参考文献
• 第三章 反向散射射频识别系统的识读距离分析
• 3.1. 标签被识读的四个基本条件
• 3.2. 下行链路的信号解调
• 3.3. 反向散射机制下的能量传输
• 3.4. 能量分配与功耗分析
• 3.5. 小结
• 参考文献
• 第四章 半有源超高频标签的系统性能分析
• 4.1. 识别率
• 4.2. 制造成本
• 4.3. 使用寿命
• 4.4. 小结
• 参考文献
• 第五章 半有源超高频标签芯片中的关键技术分析
• 5.1. 半有源超高频标签的系统架构分析
• 5.2. 整流器的优化分析
• 5.2.1. 开启电压制约分析
• 5.2.2. 整流效率分析
• 5.2.3. 电路结构优化
• 5.2.4. 版图考虑
• 5.3. 唤醒电路的优化分析
• 5.3.1. 两级唤醒
• 5.3.2. 两级唤醒原理在EPC C1G2协议下的验证
• 5.4. 随机数发生器的优化分析
• 5.4.1. 电路结构
• 5.4.2. 设计考虑
• 5.4.3. 芯片实现与测试结果
• 5.5. 小结
• 参考文献
• 第六章 半有源超高频温度传感标签的实现与测试
• 6.1. 系统设计
• 6.2. 模块设计
• 6.2.1. 射频前端
• 6.2.2. 充电器
• 6.2.3. 唤醒电路
• 6.2.4. 模拟前端
• 6.2.5. 温度传感器
• 6.2.6. 传感器接口
• 6.3. 测试结果
• 6.3.1. 射频性能测试
• 6.3.2. 电源相关性能测试
• 6.3.3. 传感器测试
• 6.3.4. 测试结果总结
• 6.4. 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1. 总结
• 7.2. 展望
• 附录A 攻博期间的发表与著作情况
• 附录B 论文中使用到的英文缩写
• 附录C 图目录
• 附录D 表目录
• 致谢