基于UHF RFID的应答器系统设计

射频识别（RFID）技术的应用范围非常广。由于具有非触点和非视距的特性，RFID特别适用于供应链的管理。无源RFID在低频（125 kHz）和高频（13.56 MHz）市场上出现已经有一段时间了。在2003年以前，已经出现了多种UHF RFID标准。麻省理工学院汽车标识中心（Massachusetts Institute of Technology‘s Auto-ID Center）（位于马萨诸塞州剑桥）意识到了多种专利RFID标准的问题，认识到地方性的协议会阻止RFID技术的发展和普及。为营造互用和国际性遵从的规章，就需要单一、开放的标准。他们推荐的下一代UHF RFID——即Gen 2标准的前身有两个意义。一旦单一国际性标准确立下来，基于UHF RFID的系统应用将更快、使用更方便、价格更便宜、系统更鲁棒；会出现多供应商渠道。该汽车标识中心2003年6月在瑞士苏黎世一个讨论会上提出启动Gen 2的工作。他们最终将开发和商业化该标准的工作转化成EPCglobal， 2004年12月已将该标准批准为“860 MHz到960 MHz第二代UHF RFID通讯协议”。

从RFID IC设计角度看，RFID存在两个主要的设计约束：功率可用性/带宽和应答器的复杂性。无源UHF RFID应答器设计要求折衷考虑功率要求、复杂性和芯片尺寸等因素，以获得期望的性能。

目前，一些主要国家对UHF工业、科学和医学（ISM）频段的频谱分配、带宽和辐射功率的要求差异很大。（辐射功率常被定义为有效的各向同性辐射功率（EIRP））。根据“EPC全球”标准，UHF频段范围从860 MHz到960MHz，允许的功率水平为4W。但不同地区对UHFISM频段的要求不同：在北美，UHF ISM频段为902 MHz到928 MHz，最大EIRP为4W；在欧洲，UHF ISM频段为865MHz到868 MHz，最大EIRP为2W；在日本，UHF ISM频段为952MHz到954 MHz，最大EIRP为4W。

应答器的复杂性是另一个设计约束因素。应答器的接收范围取决于RF IC片（标签）的最低导通功率（阈值功率）。在UHF RFID系统中，无源反向散射原理经常用在从标签到读卡器的反向链路中。可读取范围常常由从读卡器到标签的前向链接中标签的可用辐射功率决定，这是因为到达读卡器RF前端的可用反向散射信号强度大约为-25～-65dBm。

图1：基本的UHF RFID应答器由整流器、调制器、解调器以及处理逻辑电平协议和存储功能的数字电路。

如何选择合适的工艺来制造RFID应答器芯片也是一个挑战。为满足低功耗要求，通常使用导通电压低、结电容低以及驱动电流大的肖特基点触点型二极管。因为生产肖特基触点的工艺不属于标准硅CMOS半导体工艺，所以现在正在对用标准（低成本）数字体CMOS工艺制造肖特基触点进行研究。对更昂贵工艺的研究也在进行，例如可制造高速双极结型晶体管（BJT）器件的硅BiCMOS，以及低功耗性能非常优异的绝缘硅（SOI）技术。下面讨论设计基本UHF RFID应答器所需的RF电路关键技术，包括整流器、调制/解调器和数字模块等关键模块。

RFID应答器的整流器电路

UHF RFID应答器由4个构建块组成：整流器、调制器、解调器以及处理逻辑电平协议和存储功能的数字电路（图1）。在无源RFID系统中，能量取自于入射的询问波。因为询问波的能量很少，所以将应答器的功率保持在最小水平非常关键。

无源RFID应答器利用整流器电路将耦合的电磁波功率转换成芯片所需的直流电压。描述整流器电路性能的参数包括输入阻抗Zin或芯片的品质因子（Q）、芯片的运行功率Pin和电压Vin。整流器电路必须能将入射RF能量以最大效率（η）转换成直流能量。电路设计工程师必须在维持高转换效率的同时，获得最大的输出电压及输入阻抗。普通的全波整流器和Dickson电荷泵为两个常用的整流结构。

采用两个二极管级联结构的全波整流器很常见。此外还存在这种结构的变体，包括一些基于NMOS和PMOS开关的结构。最主要的是，全波整流器的效率很高。但是，全波整流器要求输入电压超过3 VTH，这样芯片可以输出期望的输出电压。因此，全波整流器电路在UHF RFID应用中的工作范围有限，除非它带有高辐射电阻天线和高Q值匹配网络，以便对输入电压进行放大。匹配网络的Q值一般只为10量级。

图2：Dickson电荷泵是UHF RFID整流器电路的一种可选结构，图中是Dickson电荷泵的工作原理图。

UHF RFID整流器电路的另一种可选结构是Dickson电荷泵（图2），它主要用在非易失性存储器中，以产生EEPROM电路所需的高编程电压。因为大多数RFID芯片也包含非易失性存储器，所以设计工程师可以重用该电路拓扑，实现产生高电压的电路，从而节省开发时间。

Dickson结构的简化等式如式1。

其中，Vp，RF =输入RF信号幅度，Vf，D=二极管正向压降。

Dickson电荷泵几乎可用任何半导体器件来构建，但采用肖特基二极管和低阈值电压（VTH ）MOSFET的设计具有最佳性能。Dickson电荷泵电路要求输入电压很小，设计工程师可以通过控制级数（N）来选择想要的输出电压和输入阻抗。但由于整流器件数量多，并存在泄漏电流和寄生参数，Dickson电荷泵的功率转换效率较低。