无源UHF RFID标签芯片射频前端设计实现

论文摘要

射频识别(RFID)是一种自动识别技术,利用数据存储和远程读取数据来实现识别过程。无源超高频射频识别技术以其远距离、高速度和低成本已经成为RFID技术的研究热点,并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。本文针对射频识别标签芯片的应用需求,对射频前端电路高性能、高灵敏度、低功耗、低成本方面展开了大量的研究。首先,本文对超高频射频识别系统的物理基础及其工作链路进行分析,从电磁场基本理论入手,对射频识别系统的能量传输、数据传输等物理过程进行了分析,并介绍了射频识别系统的组成及其对通讯过程。其次,本文对超高频射频电子标签的整体结构做了介绍,同时分析了射频前端各电路模块的设计指标。然后本文详细阐述了射频前端电路设计原理及过程,包括高效倍压整流电路、调制电路、解调电路和ESD保护电路。针对射频识别标签的低成本要求,本文设计一个只需标准CMOS工艺即可实现的高效倍压整流电路;在低功耗方面,高效倍压整流电路的效率达到60%~80%,在能量需求方面满足了远距离要求。同时改进调制解调电路,使其灵敏度得到提高,满足协议标准要求,并使芯片在性能上满足远距离要求。为保证芯片可靠性,本文设计了一个为保护天线接口PAD的ESD保护电路,在不影响芯片整体性能的情况下,保证芯片长期有效的工作。最后给出了射频前端及整个芯片的版图设计,详细阐述了版图设计过程中所采取的一些方法和原则,并给出了测试相关方法及数据。本文设计的射频识别标签芯片于2009年1月和2009年7月在TSMC0.18μm工艺线进行流片,测试结果满足无线最大读取距离6m,写MTP距离2m。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 论文研究内容与贡献
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 无源UHF RFID 系统的物理基础和工作原理
• 2.1 无源UHF RFID 系统的物理基础
• 2.1.1 麦克斯维方程及电磁场基本理论
• 2.1.2 天线
• 2.1.3 无源UHF RFID 系统的能量传输
• 2.1.4 无源UHF RFID 系统的信号传输
• 2.2 无源UHF RFID 系统的工作原理
• 2.2.1 UHF RFID 系统组成
• 2.2.2 UHF RFID 通讯过程分析
• 2.3 小结
• 第三章 无源UHF RFID 芯片系统架构与射频前端关键指标分析
• 3.1 UHF RFID 芯片架构分析
• 3.2 射频前端设计指标分析
• 3.3 小结
• 第四章 无源UHF RFID 芯片射频前端电路设计
• 4.1 高效倍压整流电路设计与实现
• 4.1.1 倍压整流电路基本原理分析
• 4.1.2 四种倍压整流结构比较
• 4.1.3 高效倍压整流电路仿真分析
• 4.1.4 阻抗匹配分析
• 4.2 反向散射调制电路设计
• 4.2.1 调制电路设计原理
• 4.2.2 调制电路仿真分析
• 4.3 高灵敏度解调电路设计
• 4.3.1 解调电路设计原理
• 4.3.2 解调电路仿真分析
• 4.4 ESD 保护电路设计
• 4.4.1 ESD 保护电路原理介绍
• 4.4.2 ESD 保护电路电路设计
• 4.5 小结
• 第五章 无源UHF RFID 芯片射频前端版图设计和流片测试验证
• 5.1 无源UHF RFID 射频前端版图设计实例
• 5.1.1 射频前端版图设计
• 5.1.2 完整芯片版图版图设计
• 5.2 无源UHF RFID 射频前端测试结果分析
• 5.2.1 测试仪器及测试方法介绍
• 5.2.2 射频前端测试数据分析
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果