超高頻遠(yuǎn)距離無源射頻接口電路設(shè)計方案

　1 引言

　　射頻識別技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、動物識別、過程控制、物流等方面。早在1990年代，13.56MHz的射頻標(biāo)簽就應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。

　　近年來，915MHz以及2.45GHz等UHF波段的射頻標(biāo)簽由于工作距離遠(yuǎn)，天線尺寸小等優(yōu)點(diǎn)越來越受到重視。射頻標(biāo)簽芯片的射頻接口模塊包括電源恢復(fù)電路、穩(wěn)壓電路和解調(diào)整形電路。射頻接口的設(shè)計直接影響到射頻標(biāo)簽的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

　　本文對射頻標(biāo)簽?zāi)芰抗?yīng)原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并完成了電源恢復(fù)電路、穩(wěn)壓電路和解調(diào)整形電路的設(shè)計。

　　2 原理分析

　　2.1 電源恢復(fù)

　　無源射頻標(biāo)簽依靠讀寫器發(fā)射出的電磁波獲取能量。標(biāo)簽芯片獲得的能量與很多因素都有關(guān)系，例如空間環(huán)境的反射，傳播媒介的吸收系數(shù)，溫度等。在理想自由空間，連續(xù)載波的情況下，有下面的近似公式：

　　式中，Ptag_IC是芯片接收到的能量，Preader為讀寫器發(fā)射功率，Gtag是標(biāo)簽天線增益，Greader是讀寫器天線增益，R為標(biāo)簽到讀寫器的距離。

　　可以看到，標(biāo)簽接收到的功率主要和距離與載波頻率相關(guān)，隨距離的增大迅速減小，隨頻率的增加而減小。PreaderRreader也稱為EIRP,即等效全向發(fā)射功率。它受到國際標(biāo)準(zhǔn)約束，通常在27~36dBm左右。例如，按照北美標(biāo)準(zhǔn)，讀寫器等效發(fā)射功率EIRP應(yīng)小于4W,即36dBm。在自由空間中，915MHz的信號在4m處衰減為43.74dB。假設(shè)標(biāo)簽天線增益為1.5dBi,則在4m處無源射頻標(biāo)簽可能獲得的最大功率只有約-6.24dBm,238W。利用標(biāo)準(zhǔn)的偶極子天線，在915MHz天線端能夠獲得的電壓約200mV。在如此低的輸入信號幅度下，采用普通全波或半波整流電路無法獲得所需的直流電壓，因此需要采用倍壓結(jié)構(gòu)的電源恢復(fù)電路。

　　倍壓結(jié)構(gòu)的電源恢復(fù)電路如圖1所示。圖中的二極管在實(shí)際應(yīng)用時通常用MOS管替代。輸入正弦交流信號RFin=VAsint。在RFin負(fù)半周期時，M0導(dǎo)通，C1充電。C1兩端能夠獲得的最大電壓為VA-Vd,其中，Vd為MOS管M0兩端的電壓降。

　　RFin正半周期時，節(jié)點(diǎn)1的最大電壓為VA+（VA-Vd）。該電壓使得M1導(dǎo)通，C2充電，直到C2兩端達(dá)到最大電壓，即節(jié)點(diǎn)2的最大電壓，為VA+（VA-Vd）-Vd=2（VA-Vd）。依次類推，C3兩端能夠獲得的最大電壓為3（VA-Vd），節(jié)點(diǎn)4的最大電壓為4（VA-Vd）。節(jié)點(diǎn)2N的最大電壓為2N（VA-Vd）。于是，對于2N級電路，輸出直流電壓為：