超高频RFID无源标签倍压整流电路设计
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收稿日期 : 2006 2 09 2 08; 定稿日期 : 2007 2 04 2 24
微 波 学 报
2008 年 4 月
的优势和统治地位还没有得到明显的改变 。标签芯 片设计的主要难点包括 : ①苛刻的功耗限制 ; ②片 上天线技术 ; ③芯片封装技术 ; ④ 天线匹配技术 。 本文主要讨论工作在 860 ～ 960MHz 频段的长 距离无源标签芯片电路中的关键部分 — — — 整合匹配 效果的倍压整流电路 。它负责把高频交流信号转换 成为直流倍压信号 , 为整个标签芯片的工作进行供 电 。倍压整流电路决定了标签的读取距离和感应灵 敏度 ,是整个芯片的重要组成电路 。
引 言
无线射 频 识 别 ( Radio Frequency Identification, 简称 RF I D )技术是一种新兴的非接触式自动识别技 术 。常见的 RF I D 系统由标签 、 读写器和中央信息 处理系统组成 。它通过无线射频信号自动识别目标 并获取数据 ,整个过程无须人工干预 。 RF I D 技术具 有很多突出的优点 : 防水 、 防磁 、 耐高温 、 无机械磨 损、 寿命长 、 读取距离远 、 数据可以加密 、 存储容量 大、 信息更改自如等 。 RF I D 技术的工作原理其实并不复杂 : 标签进入 磁场范围内 ,接收读写器发出的特定频率的无线电 波信号 ,凭借感应电流所获得的能量激活标签内部 电路 ,发送存储在芯片中的信息数据 (无源标签 ) , 或者主动发送特定频率的信号 (有源标签 ) 。阅读 器读取信息并解码后 , 送至中央信息处理系统进行
≈ 0, U R ( t2 n + 0 ) ≈
2Um ,负载电阻 R 的输出电压就会瞬间倍压到 2Um ,
所以我们选用的 C1 应尽可能的大 , C2 尽可能的小 。 由此可以推导 , N 级倍压整流电路的能量是由 前逐级向后传递 ,每经过半个周期就向后级传递一 步 。经过足够长的时间 , 最后一级的电容上的电压 才为理论上的最终输出电压 U out = N Um 。
超高频 RF I D 无源标签倍压整流电路设计
刘 锋
1, 2
3
龙云亮
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1
( 1. 中山大学电子与通信工程系 ,广州 510275; 2. 民航中南空管局 ,广州 510405 )
摘 要: 从法拉第定律和安培定律出发 , 基于波动原理的分布理论分析了射频波段倍压整流电路的特性 , 详 细讨论了其在无线射频识别技术 ( RF I D )设计中的应用 。结果表明 ,超高频 UHF ( U ltra H igh Frequency) 频段的倍压 整流电路与经典的倍压整流电路分析有很大的不同 。通过多次实验校正 ,最后在实践中成功设计出一种效果良好 、 可以实用的 UHF频段 RF I D 无源标签芯片的倍压整流电路 。 关键词 : 倍压整流 ,无线射频识别 (RF I D ) ,电子标签 ,超高频 ,无源
2 UHF 波段的倍压整流电路
我国刚刚公布的 UHF RF I D 的工作频段确定为
840 ～845MH z 和 920 ～ 925MHz, 属于超 高频 波 段 。
图 1 多级倍压整流电路
纵观目前国内外对倍压整流电路的分析 , 发现所进 行的研究几乎都仅限于低频段的分析计算 , 有关倍 压整流电路在高频段的理论分析寥寥无几 。 倍压整流电路在射频段的情况比较复杂 , 因为 前面分析的基石 — — — 以基尔霍夫电流和电压定律为 核心的集总电路分析方法在射频波段是不成立的 。 在涉及高频应用时 , 电磁波的特性取代了基尔霍夫 电流和电压定律在研究分析中占据主导地位 。 低频时的定值电阻到高频段就不再恒定 , 显示 出具有谐振点的二阶系统响应 ; 电容的阻抗特性也 只有在低频时才与频率成反比 , 高频时的电容有传 导电流经过 ,产生损耗 ; 同样 , 电感的阻抗响应随着 频率的增加而线性增加 , 在达到谐振值之前偏离理 想特性 ,变成电容性 。研究所涉及元件的高频等效 电路如图 3 所示 。
38
第 24 卷第 2 期
刘 锋等 : 超高频 RF I D 无源标签倍压整流电路设计
πR s θ N co s on θ π -θ on on +j w R s Cj θ θ - sin + sin on on θ θ co s on co s on 其中 , R s 是二极管串联电阻 ,θ on是二极管的导通角 , C j 是二极管结电容 。 由上式可得输入阻抗随导通角 θ on的变化而变 θ 化 ,而 on又是随输入功率的变化而变化 , 所以一般 在射频非线性电路 ,输入阻抗不是定值 ,而是与输入 信号有关的变量 。这一类的大信号输入阻抗都是用 高频仿真软件如 AD S的谐波平衡算法进行计算 。 要获得最佳输出效果 , 我们还要分析源和线路 匹配的最佳条件 ,即最大功率传输需要传输线输入 阻抗和源阻抗共轭复数匹配 :
自身储存的电压 Um 一次性转移给 C2 , 而只会在每 个周期一点一点地放电给 C2 ,经过无限长的时间后
C2 上的电压才会达到 2Um 。
经过 2 n 个半周期之后 ,由基尔霍夫 ( Kirchhoff) 定律和电荷守恒定理推导出负载 R 上的电压值的 表达式如下 :
U R ( t2 n + 0 ) = 2 1 C2 C1 + C2
π 2 , Z 为特性阻抗 , ZL 为负载阻抗 。 λ 0
从以上经典的 RF 公式 , 我们定义出由负载和 源端的线路阻抗表示的反射系数 : Γ0 = ΓS =
ZL - Z0 ZL + Z0 Z G - Z0 Z G + Z0
图 4 射频前端电路图
其中 ZL 为负载阻抗 , Z G 为源端线路阻抗 。无耗传 输线输入功率的表达式也得到了 : 2 2 | 1 - ΓS | 1 | VG | - 2β j l 2 P in = | ) - 2β j l 2 ( 1 - | Γ0 e 8 Z0 | 1 - Γ0ΓS e | 有耗传输线 | VL | = | V in | e 输入功率则为 :
3 标签倍压整流电路设计
在我们的方案中 , 射频前端和倍压整流电路部 分的设计分析如图 4 所示 。
得到 带 终 端 负 载 传 输 线 距 离 负 载 d 处 的 输 入 阻 抗
[3]
:
Z in ( d ) = Z 0 ZL + jZ0 tan (βd ) ZL + jZ0 tan (βd )
其中波数 β =
由于倍压整流电路的充放电过程比较复杂 , 大 量技术类书籍和研究文献在分析倍压整流电路的具 体工作原理时都只是定性分析 , 给出理想状态下的 最终结果 ,没有仔细分析具体过程 。 为了便于理解和理论推导 , 现分析低频段两级 倍压整流电路的电压变化情况 。两级倍压整流电路 的结构如图 2 所示 。
Voltage M ultiplier for Pa ssive Tag in UHF RF I D
L IU Feng , LO NG Y un 2liang
1, 2 1
( 1. S chool of Infor m a tion S cience and Technology, Zhongshan U n iversity, Guangzhou 510275, Ch ina;
设输入电压为 Um , 后端电路上部为正 , 下部为 负 。当交流输出电压为正半周时 , D 1 导通 , D 2截止 , 电源对 C1 充电 , 充至最大值 Um , 并基本保持不变 。 当交流电输出电压为负半周时 , D 1 截止 , D 2 导通 , Um 与 C1 上半个周期储满的电压值 Um 同极迭加 , 形成电压串联同时对 C2 充电 。很明显 , C1 不会将
2. S ou thern A ir T raffic M anagem en t B u reau, Guangzhou 510405, Ch ina ) Abstract: According to Faraday Theory and Ampere Theory, the voltage multip lier used in passive tags of UHF RF I D system was analyzed. The result show s there is crucial distinction betw een U ltra H igh Frequency environment and low fre2 quency environment . In UHF environment, study on the voltage multip lier must be based on Fundamental of Electromagnetic W ave and RF Circuit Theory, rather than Kirchhoff Fundamental . A t last, A commercial voltage multip lier is designed, and the test indicates that it works well and effectively . Key words: Voltage multip ly, Radio frequency identification, Tag, UHF, Passive
数据处理 。 RF I D 系统频段是指读写器通过天线发送接收 并识读标签信号的工作频率范围 。 RF I D 系统的工 作频率直接决定系统应用的各方面特性 : 不仅决定 着 RF I D 系统的工作原理 、 识别距离 , 还决定着射频 标签及读写器实现的难易程度和设备成本 。 RF I D 应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分 , 即 位 于 IS M 波 段 。典 型 的 工 作 频 率 有 : 125kH z、 133kH z、13. 56MHz、27. 12MHz、433MHz、860 ～ 960MH z、 2. 45GH z、 5. 8GHz 等 。不 同 频 段 的 RF I D 工作原理不同 : LF 和 HF 频段 RF I D 一般采用电磁 耦合原理 ,而 UH F 及微波频段的 RF I D 一般采用电 磁发射原理 。 标签芯片在整个 RF I D 产品链中占据着举足轻 重的地位 ,上海华虹 、 复旦微电子 、 清华同方等国内 厂商已经在 UHF 频段做出了一些成果 ,但国外厂商
第 24 卷第 2 期 微 波 学 报 . 24 No. 2 Vol 2008 年 4 月 JOURNAL OF M I CROWAVES Ap r . 2008 文章编号 : 1005 2 6122 ( 2008 ) 02 2 0037 2 04
Z in = Z G
3
图 3 各元件的高频等效电路图
当电压和电流波的波长小于分立电子元件尺寸
1 /10 左右时 ,我们必须从以基尔霍夫定律和电压定
律的集总电路分析转变成为基于波动原理的分布理 论分析 。由法拉第定律和安培定律 , 我们由一般传 输线系统的特性阻抗公式 :
Z0 = (R + j wL ) (G + j wC)
n
Um
如上面的计算分析 , 经过若干周期之后 , C2 的 电压基本上就是 2Um 。 C1 越大 , C1 向 C2 转移的电 荷越多 ; 当 C1 µ C2 时 ,
C2 C1 + C2
1 倍压整流电路的结构
现代电子电路中很多需要小电流高电压的供电 场合都广泛应用倍压整流电路 。倍压整流电路主要 是通过整 流与 滤波 元 件 (一 般 是 二 极 管 和 耐 压 电 容 )的组合 , 运用晶体管的单相导通性和电容的充 放电特性 ,获得输入交流电压二倍 、 三倍以至多倍直 流电压 。多级倍压整流电路原理图如图 1 所示 。
图 2 两级倍压整流电路
因此 ,当波长和分立的电子元件的尺寸可相比 拟时 ,在低频时经常使用的基本电路分析法就不再 适用 。射频环境中 , 电压和电流不再保持空间的不 变 ,而必须把它们看作是传输的电磁波 。因为基尔 霍夫定律电流和电压定律都没有考虑到这些空间的 变化 ,我们必须对普通的集总电路分析做出重大的 修改 。
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收稿日期 : 2006 2 09 2 08; 定稿日期 : 2007 2 04 2 24
微 波 学 报
2008 年 4 月
的优势和统治地位还没有得到明显的改变 。标签芯 片设计的主要难点包括 : ①苛刻的功耗限制 ; ②片 上天线技术 ; ③芯片封装技术 ; ④ 天线匹配技术 。 本文主要讨论工作在 860 ～ 960MHz 频段的长 距离无源标签芯片电路中的关键部分 — — — 整合匹配 效果的倍压整流电路 。它负责把高频交流信号转换 成为直流倍压信号 , 为整个标签芯片的工作进行供 电 。倍压整流电路决定了标签的读取距离和感应灵 敏度 ,是整个芯片的重要组成电路 。
引 言
无线射 频 识 别 ( Radio Frequency Identification, 简称 RF I D )技术是一种新兴的非接触式自动识别技 术 。常见的 RF I D 系统由标签 、 读写器和中央信息 处理系统组成 。它通过无线射频信号自动识别目标 并获取数据 ,整个过程无须人工干预 。 RF I D 技术具 有很多突出的优点 : 防水 、 防磁 、 耐高温 、 无机械磨 损、 寿命长 、 读取距离远 、 数据可以加密 、 存储容量 大、 信息更改自如等 。 RF I D 技术的工作原理其实并不复杂 : 标签进入 磁场范围内 ,接收读写器发出的特定频率的无线电 波信号 ,凭借感应电流所获得的能量激活标签内部 电路 ,发送存储在芯片中的信息数据 (无源标签 ) , 或者主动发送特定频率的信号 (有源标签 ) 。阅读 器读取信息并解码后 , 送至中央信息处理系统进行
≈ 0, U R ( t2 n + 0 ) ≈
2Um ,负载电阻 R 的输出电压就会瞬间倍压到 2Um ,
所以我们选用的 C1 应尽可能的大 , C2 尽可能的小 。 由此可以推导 , N 级倍压整流电路的能量是由 前逐级向后传递 ,每经过半个周期就向后级传递一 步 。经过足够长的时间 , 最后一级的电容上的电压 才为理论上的最终输出电压 U out = N Um 。
超高频 RF I D 无源标签倍压整流电路设计
刘 锋
1, 2
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龙云亮
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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( 1. 中山大学电子与通信工程系 ,广州 510275; 2. 民航中南空管局 ,广州 510405 )
摘 要: 从法拉第定律和安培定律出发 , 基于波动原理的分布理论分析了射频波段倍压整流电路的特性 , 详 细讨论了其在无线射频识别技术 ( RF I D )设计中的应用 。结果表明 ,超高频 UHF ( U ltra H igh Frequency) 频段的倍压 整流电路与经典的倍压整流电路分析有很大的不同 。通过多次实验校正 ,最后在实践中成功设计出一种效果良好 、 可以实用的 UHF频段 RF I D 无源标签芯片的倍压整流电路 。 关键词 : 倍压整流 ,无线射频识别 (RF I D ) ,电子标签 ,超高频 ,无源
2 UHF 波段的倍压整流电路
我国刚刚公布的 UHF RF I D 的工作频段确定为
840 ～845MH z 和 920 ～ 925MHz, 属于超 高频 波 段 。
图 1 多级倍压整流电路
纵观目前国内外对倍压整流电路的分析 , 发现所进 行的研究几乎都仅限于低频段的分析计算 , 有关倍 压整流电路在高频段的理论分析寥寥无几 。 倍压整流电路在射频段的情况比较复杂 , 因为 前面分析的基石 — — — 以基尔霍夫电流和电压定律为 核心的集总电路分析方法在射频波段是不成立的 。 在涉及高频应用时 , 电磁波的特性取代了基尔霍夫 电流和电压定律在研究分析中占据主导地位 。 低频时的定值电阻到高频段就不再恒定 , 显示 出具有谐振点的二阶系统响应 ; 电容的阻抗特性也 只有在低频时才与频率成反比 , 高频时的电容有传 导电流经过 ,产生损耗 ; 同样 , 电感的阻抗响应随着 频率的增加而线性增加 , 在达到谐振值之前偏离理 想特性 ,变成电容性 。研究所涉及元件的高频等效 电路如图 3 所示 。
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第 24 卷第 2 期
刘 锋等 : 超高频 RF I D 无源标签倍压整流电路设计
πR s θ N co s on θ π -θ on on +j w R s Cj θ θ - sin + sin on on θ θ co s on co s on 其中 , R s 是二极管串联电阻 ,θ on是二极管的导通角 , C j 是二极管结电容 。 由上式可得输入阻抗随导通角 θ on的变化而变 θ 化 ,而 on又是随输入功率的变化而变化 , 所以一般 在射频非线性电路 ,输入阻抗不是定值 ,而是与输入 信号有关的变量 。这一类的大信号输入阻抗都是用 高频仿真软件如 AD S的谐波平衡算法进行计算 。 要获得最佳输出效果 , 我们还要分析源和线路 匹配的最佳条件 ,即最大功率传输需要传输线输入 阻抗和源阻抗共轭复数匹配 :
自身储存的电压 Um 一次性转移给 C2 , 而只会在每 个周期一点一点地放电给 C2 ,经过无限长的时间后
C2 上的电压才会达到 2Um 。
经过 2 n 个半周期之后 ,由基尔霍夫 ( Kirchhoff) 定律和电荷守恒定理推导出负载 R 上的电压值的 表达式如下 :
U R ( t2 n + 0 ) = 2 1 C2 C1 + C2
π 2 , Z 为特性阻抗 , ZL 为负载阻抗 。 λ 0
从以上经典的 RF 公式 , 我们定义出由负载和 源端的线路阻抗表示的反射系数 : Γ0 = ΓS =
ZL - Z0 ZL + Z0 Z G - Z0 Z G + Z0
图 4 射频前端电路图
其中 ZL 为负载阻抗 , Z G 为源端线路阻抗 。无耗传 输线输入功率的表达式也得到了 : 2 2 | 1 - ΓS | 1 | VG | - 2β j l 2 P in = | ) - 2β j l 2 ( 1 - | Γ0 e 8 Z0 | 1 - Γ0ΓS e | 有耗传输线 | VL | = | V in | e 输入功率则为 :
3 标签倍压整流电路设计
在我们的方案中 , 射频前端和倍压整流电路部 分的设计分析如图 4 所示 。
得到 带 终 端 负 载 传 输 线 距 离 负 载 d 处 的 输 入 阻 抗
[3]
:
Z in ( d ) = Z 0 ZL + jZ0 tan (βd ) ZL + jZ0 tan (βd )
其中波数 β =
由于倍压整流电路的充放电过程比较复杂 , 大 量技术类书籍和研究文献在分析倍压整流电路的具 体工作原理时都只是定性分析 , 给出理想状态下的 最终结果 ,没有仔细分析具体过程 。 为了便于理解和理论推导 , 现分析低频段两级 倍压整流电路的电压变化情况 。两级倍压整流电路 的结构如图 2 所示 。
Voltage M ultiplier for Pa ssive Tag in UHF RF I D
L IU Feng , LO NG Y un 2liang
1, 2 1
( 1. S chool of Infor m a tion S cience and Technology, Zhongshan U n iversity, Guangzhou 510275, Ch ina;
设输入电压为 Um , 后端电路上部为正 , 下部为 负 。当交流输出电压为正半周时 , D 1 导通 , D 2截止 , 电源对 C1 充电 , 充至最大值 Um , 并基本保持不变 。 当交流电输出电压为负半周时 , D 1 截止 , D 2 导通 , Um 与 C1 上半个周期储满的电压值 Um 同极迭加 , 形成电压串联同时对 C2 充电 。很明显 , C1 不会将
2. S ou thern A ir T raffic M anagem en t B u reau, Guangzhou 510405, Ch ina ) Abstract: According to Faraday Theory and Ampere Theory, the voltage multip lier used in passive tags of UHF RF I D system was analyzed. The result show s there is crucial distinction betw een U ltra H igh Frequency environment and low fre2 quency environment . In UHF environment, study on the voltage multip lier must be based on Fundamental of Electromagnetic W ave and RF Circuit Theory, rather than Kirchhoff Fundamental . A t last, A commercial voltage multip lier is designed, and the test indicates that it works well and effectively . Key words: Voltage multip ly, Radio frequency identification, Tag, UHF, Passive
数据处理 。 RF I D 系统频段是指读写器通过天线发送接收 并识读标签信号的工作频率范围 。 RF I D 系统的工 作频率直接决定系统应用的各方面特性 : 不仅决定 着 RF I D 系统的工作原理 、 识别距离 , 还决定着射频 标签及读写器实现的难易程度和设备成本 。 RF I D 应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分 , 即 位 于 IS M 波 段 。典 型 的 工 作 频 率 有 : 125kH z、 133kH z、13. 56MHz、27. 12MHz、433MHz、860 ～ 960MH z、 2. 45GH z、 5. 8GHz 等 。不 同 频 段 的 RF I D 工作原理不同 : LF 和 HF 频段 RF I D 一般采用电磁 耦合原理 ,而 UH F 及微波频段的 RF I D 一般采用电 磁发射原理 。 标签芯片在整个 RF I D 产品链中占据着举足轻 重的地位 ,上海华虹 、 复旦微电子 、 清华同方等国内 厂商已经在 UHF 频段做出了一些成果 ,但国外厂商
第 24 卷第 2 期 微 波 学 报 . 24 No. 2 Vol 2008 年 4 月 JOURNAL OF M I CROWAVES Ap r . 2008 文章编号 : 1005 2 6122 ( 2008 ) 02 2 0037 2 04
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图 3 各元件的高频等效电路图
当电压和电流波的波长小于分立电子元件尺寸
1 /10 左右时 ,我们必须从以基尔霍夫定律和电压定
律的集总电路分析转变成为基于波动原理的分布理 论分析 。由法拉第定律和安培定律 , 我们由一般传 输线系统的特性阻抗公式 :
Z0 = (R + j wL ) (G + j wC)
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如上面的计算分析 , 经过若干周期之后 , C2 的 电压基本上就是 2Um 。 C1 越大 , C1 向 C2 转移的电 荷越多 ; 当 C1 µ C2 时 ,
C2 C1 + C2
1 倍压整流电路的结构
现代电子电路中很多需要小电流高电压的供电 场合都广泛应用倍压整流电路 。倍压整流电路主要 是通过整 流与 滤波 元 件 (一 般 是 二 极 管 和 耐 压 电 容 )的组合 , 运用晶体管的单相导通性和电容的充 放电特性 ,获得输入交流电压二倍 、 三倍以至多倍直 流电压 。多级倍压整流电路原理图如图 1 所示 。
图 2 两级倍压整流电路
因此 ,当波长和分立的电子元件的尺寸可相比 拟时 ,在低频时经常使用的基本电路分析法就不再 适用 。射频环境中 , 电压和电流不再保持空间的不 变 ,而必须把它们看作是传输的电磁波 。因为基尔 霍夫定律电流和电压定律都没有考虑到这些空间的 变化 ,我们必须对普通的集总电路分析做出重大的 修改 。