无源UHF RFID应答器天线以及射频匹配网络设计

论文摘要

作为一项新兴的自动识别技术,无线射频识别技术被喻为21世纪最具革命性意义的无线通信技术之一。它基于射频信号的空间耦合原理和电磁场的传输特性,通过无线信号进行双向通信,自动识别目标物体并提取相关信息。无线射频识别技术系统分为低频、高频、超高频、微波等四个工作频段。目前最被看好的超高频段是未来商用市场规模最大的频段,也是技术上最难实现的频段。无线射频系统又可分为有源系统、无源系统和半有源系统,本文主要关注的是超高频无源RFID应答器技术的研究。在超高频段的无源RFID应答器的设计中,天线以及天线与应答器芯片的射频匹配问题是应答器设计的重点,决定着整个RFID系统的实际可用性以及读写距离。本文依据ISO/IEC 18000-6B标准,对UHF频段（915MHz）天线及电源恢复模块进行了研究,该模块包括天线,射频匹配网络和整流电路。天线设计采用了ADS Momentum软件进行仿真,分别设计了标准偶极子天线,性能优化偶极子天线和弯折（尺寸优化）偶极子天线,并利用测试平台对天线进行了性能测试,在与芯片的Bonding测试后,结果显示天线的方向性、增益、阻抗以及带宽均满足设计要求,优化后的天线可以工作在3米左右,进一步优化则可以满足实际应用的要求。对于射频匹配网络,本文采取的是L型匹配设计,提出了利用天线的寄生电感Lm,将其推入到L型匹配网络中,通过调整反向散射电路的电容来改变匹配网络的容抗Cm,从而实现ASK调制方式的反向散射。论文研究了一种自动匹配网络,该网络能实现天线与应答器芯片间的自动匹配。论文还研究了芯片模拟前端整流电路,其作用是将从电磁场中获取的能量转化为直流电压,为芯片其它模块供电。本次设计使用Cadence Spectre工具进行仿真并采用Chartered 0.35um EEPROM工艺进行流片。流片结果显示天线配合芯片工作正常,具备与阅读器的通讯能力,具有产业化前景。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 RFID综述
• 1.1 RFID技术简介
• 1.2 RFID技术国内外发展现状
• 1.3 RFID的现行标准
• 1.4 RFID应答器的分类
• 1.5 RFID的系统组成
• 1.5.1 阅读器
• 1.5.2 应答器
• 1.6 RFID工作原理
• 1.6.1 UHF以及微波频段阅读器工作原理
• 1.6.2 UHF以及微波频段应答器工作原理
• 1.7 RFID技术的发展趋势
• 1.8 本文工作
• 1.8.1 研究内容
• 1.8.2 论文的组织结构
• 第二章 RFID天线原理与设计
• 2.1 RFID天线简述
• 2.2 偶极子天线简介
• 2.3 偶极子天线的基本参数
• 2.3.1 天线的方向特性参数
• 2.3.2 天线的输入阻抗
• 2.3.3 天线的匹配
• 2.3.4 天线增益
• 2.3.5 天线的极化方式
• 2.3.6 天线的工作频率范围（频带宽度）
• 2.3.7 天线载体
• 2.4 本次天线设计实例
• 2.4.1 标准偶极子天线设计
• 2.4.2 天线优化设计
• 2.4.3 天线弯折设计
• 2.5 天线测试平台的研究
• 第三章 UHF RFID应答器芯片系统框架研究
• 3.1 UHF RFID应答器芯片的系统框架
• 3.1.1 UHF应答器天线
• 3.1.2 射频模拟前端电路模块介绍
• 3.1.3 控制逻辑电路
• 3.2 UHF RFID应答器芯片验证开发平台研究
• 第四章 应答器天线与电源恢复电路的匹配研究
• 4.1 阻抗匹配理论
• 4.2 阻抗匹配网络研究
• 4.3 自动匹配电路研究
• 4.3.1 传统双栅EEPROM简介
• 4.3.2 单栅EEPROM
• 4.3.3 天线与芯片阻抗匹配自动调节电路
• 4.4 整流电路
• 4.4.1 电荷泵
• 4.4.2 仿真结果
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢