利用仿真工具預(yù)測RFID系統(tǒng)的性能

射頻識別(RFID)市場出現(xiàn)強勁增長，2004年其銷售額高達17億美元，2008年預(yù)計將達到59億美元。這種激增的需求受到來自下一代RFID系統(tǒng)的帶動，下一代系統(tǒng)將會提供非視距的可讀性、改進的安全性，并可以重新配置產(chǎn)品信息。這些應(yīng)用包括了庫存跟蹤、處方用藥跟蹤和認(rèn)證、汽車安全鑰匙，以及安全設(shè)施的門禁控制等。在很多以前的出版物中可以找到有關(guān)RFID應(yīng)用與發(fā)展良機的細節(jié)。這些功能將可能通過EPC-Global Class 1 Gen 2(即歐洲和國際上的ISO-18006標(biāo)準(zhǔn))協(xié)議所定義的超高頻(UHF)系統(tǒng)來實現(xiàn)。這些功能還將利用最新的CMOS工藝節(jié)點通過標(biāo)簽/閱讀器的技術(shù)創(chuàng)新來實現(xiàn)，例如射頻/模擬以及混合信號集成電路(IC)設(shè)計。許多新的IC要求取決于EPCGlobal Class 1 Gen 2協(xié)議，以及無源-反向散射UHF RFID標(biāo)簽電路中的幾個關(guān)鍵射頻模塊的設(shè)計與仿真。可以采用仿真工具來研究在幾個最差系統(tǒng)級工作條件下的關(guān)鍵IC的性能度量。

　　工作在125或134kHz低頻(LF)或者13.56MHz高頻(HF)范圍內(nèi)的電感回路無源RFID系統(tǒng)，其工作距離僅限于大約1m的范圍。UHF RFID系統(tǒng)工作在860至960MHz以及2.4GHZ的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段。其具有更長的工作距離，對無源標(biāo)簽而言典型工作范圍為3至10m。標(biāo)簽從閱讀器的射頻信號接收信息和工作能量。如果標(biāo)簽在閱讀器的范圍內(nèi)，就會在標(biāo)簽的天線上感應(yīng)出交變的射頻電壓。該電壓經(jīng)過整流后為標(biāo)簽提供直流(DC)電源電壓。通過調(diào)制天線端口的阻抗來實現(xiàn)標(biāo)簽對閱讀器的響應(yīng)。這樣一來，標(biāo)簽將信號反向散射給閱讀器。

　　閱讀器通過位速率范圍在26.7至128kbps之間的雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)或者反相幅移鍵控 (PR-ASK)調(diào)制來實現(xiàn)對射頻載波的調(diào)制，將信息發(fā)送給一個或多個標(biāo)簽。采用脈沖間隔編碼(PIE)格式來實現(xiàn)調(diào)制。此時，數(shù)據(jù)通過對載波在不同的時間間隔進行脈沖編碼來表示0或1b，并將其發(fā)送給標(biāo)簽。通過頻帶分配和數(shù)據(jù)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，EPC-Global最先通過統(tǒng)一世界范圍內(nèi)的不同系統(tǒng)來降低整體成本。這一行動將采用相對廉價的CMOS技術(shù)來抵消設(shè)計新的復(fù)雜IC所產(chǎn)生的高昂費用。

　　采用更新的工藝節(jié)點預(yù)計將減少芯片面積的20%。由于涉及到數(shù)量，降低系統(tǒng)成本的努力主要集中在無源標(biāo)簽的單位成本。其目標(biāo)是將成本降低一個數(shù)量級，減少到每個標(biāo)簽僅幾美分。

　　無源標(biāo)簽的調(diào)制不同于一般的射頻通信方案，這是因為閱讀器的信號還為標(biāo)簽供電。在無源反向散射系統(tǒng)中，距離是通過標(biāo)簽可以獲得的輻射功率由前向鏈路(閱讀器到標(biāo)簽)來決定的。新式的Gen-2標(biāo)簽的設(shè)計目標(biāo)是將閱讀距離最大化，并同時實現(xiàn)與該協(xié)議的兼容。距離方程(公式1)決定了理論距離，此時標(biāo)簽將接收到足夠的電源來對閱讀器做出響應(yīng)。

其中：EIRP=有效各向同性輻射功率，Ptag=標(biāo)簽天線輸出所要求的功率，Gtag=標(biāo)簽天線增益，λ=射頻載波的自由空間波長。

　　關(guān)閉閱讀器電源減少了標(biāo)簽所獲得的電源。由于該調(diào)制方案中信號在大部分時間處于其最大值，因此具有極大優(yōu)勢。然而，這種調(diào)制效率極低。這導(dǎo)致相對寬的信道或低的數(shù)據(jù)速率。

　　每個EPC Class 1 Gen 2指標(biāo)，閱讀器傳輸?shù)墓β矢哌_4W EIRP。在950MHz的載波頻率下，信道損耗在3m距離處是36.9dB。那么，標(biāo)簽天線的功率是-0.88dBm。

在這一少量的可用功率和低直流功率轉(zhuǎn)換效率(整流器效率平均約為20%)下，CMOS標(biāo)簽電路一般工作在僅幾微安電流的一伏特電壓下。由于無源 RFID標(biāo)簽必須具有低成本并節(jié)省功耗，將標(biāo)簽設(shè)計為采用相對簡單的幅度調(diào)制(AM)技術(shù)來實現(xiàn)從閱讀器接收信號。UHF RFID標(biāo)簽?zāi)M前端包括了幾個內(nèi)部模擬子模塊。該模擬前端實現(xiàn)了DC電源、接收信號檢測/解調(diào)制和發(fā)送調(diào)制等全部的模擬處理。圖1中的模塊圖表示了典型 UHF RFID標(biāo)簽的模擬前端以及數(shù)字狀態(tài)機。

整流器通過天線將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換為DC電源，為所有的其他模塊供電。接下來是作為電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)壓器，其限制并調(diào)整了由整流器產(chǎn)生的電壓。復(fù)位子模塊提供了復(fù)位信號，來表明經(jīng)過整流的電壓已經(jīng)達到了可靠的和規(guī)定的水平。就其本身而言，包絡(luò)檢測器檢測并解調(diào)制閱讀器的數(shù)據(jù)信號，還產(chǎn)生數(shù)字解調(diào)信號。環(huán)路振蕩器產(chǎn)生用于數(shù)字狀態(tài)機的時鐘。調(diào)制器通過改變天線端口的負載阻抗將調(diào)制信號調(diào)制到標(biāo)簽天線。所有模擬前端電路通過Ansoft的 Nexxim電路仿真器采用Cadence Virtuoso設(shè)計環(huán)境以及TSMC 0.18-μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝庫進行仿真。

　　為了將足夠低的輸入電壓轉(zhuǎn)換達到可能滿足CMOS電路工作的電壓，圖2中的整流器模塊采用具有倍增級聯(lián)單元的級聯(lián)Dickson電壓倍增電路。該設(shè)計基于采用二極管連接、最小柵長PMOS晶體管的四級電荷泵作為整流器。這些PMOS晶體管的襯底端被連接到柵和漏端(反向偏置)，以此來減少有效的閾值電壓。通過采用Nexxim的諧波平衡仿真進行優(yōu)化，來獲得該晶體管的尺寸和金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容的值。整流器的輸出直接提供給電壓調(diào)節(jié)器。

通過在穩(wěn)壓器電路之后采用電壓限幅器來實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。該限幅器電路確保了電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓水平低于3.3V晶體管的擊穿電壓。該電壓調(diào)節(jié)器包括了啟動和自偏置電路、帶隙參考電路以及電壓調(diào)節(jié)器。該穩(wěn)壓器的輸出電壓水平被設(shè)為1.25V，這將是數(shù)字電路以及其他模擬電路的電源電壓。仿真表明穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流消耗小于200nA。當(dāng)電荷泵電路產(chǎn)生的電源電壓足夠高時，復(fù)位信號變?yōu)?ldquo;低”狀態(tài)來初始化數(shù)字電路的狀態(tài)機。為了避免錯誤觸發(fā)，復(fù)位電路提供了必要的遲滯特性。

　　解調(diào)器和環(huán)路振蕩器

　　解調(diào)器是由快速電荷泵、峰值檢測器和比較器組成?？焖匐姾杀脵z測經(jīng)過ASK調(diào)制的射頻信號的包絡(luò)。此后，包絡(luò)由峰值檢測器作進一步的處理后來獲得其緩慢變化的均值，該峰值檢測器是由二極管連接的MOSFET和電容形成的。然后，包絡(luò)信號及其緩慢變化的部分相比較來產(chǎn)生數(shù)字格式的解調(diào)信號。該比較器如圖3中所示，其被設(shè)計為軌到軌共模輸入范圍滿足寬的標(biāo)簽工作范圍。其遲滯輸入—輸出特性還使得其可以工作在噪聲環(huán)境下。環(huán)路振蕩器是按照 Sundaresan等人報導(dǎo)的方式進行設(shè)計的。作為標(biāo)簽IC的時鐘產(chǎn)生器，該設(shè)計提供了4MHz的額定振蕩頻率。其對工藝和溫度的變化都不敏感。

調(diào)制器根據(jù)數(shù)字輸入信號來改變連接到天線的變?nèi)荻O管的電容。通過調(diào)整電容，改變了天線的雷達截面(RCS)。閱讀器檢測到這些變化，使得反向散射信息可以在閱讀器一側(cè)被恢復(fù)。變?nèi)荻O管通過隔直電容連接到天線端。通過變?nèi)荻O管的電壓由圖3中間的反偏電流控制。該電流可以減慢電容改變的速度，因此反向散射調(diào)制信號可以滿足FCC輻射規(guī)范。

　　由整流器電路看過去的輸入阻抗主要是容性的。天線必須與這一容性輸入相匹配來將整流器從入射波吸收的能量最大化。由于對成本的敏感性，在天線實現(xiàn)阻抗匹配，而不是采用分立的集總元件是適當(dāng)?shù)摹Ｌ炀€設(shè)計的目標(biāo)是調(diào)整天線的尺寸以便其電抗與芯片的輸入阻抗的電抗諧振。在Ansoft Designer中采用平面矩量法電磁場求解器對天線的行為進行仿真。

圖4是標(biāo)簽前端的輸入阻抗圖。其采用Nexxim的諧波平衡引擎在拉源阻抗的大信號條件下進行仿真。功率轉(zhuǎn)換到標(biāo)簽電路的最佳源阻抗在 900MHz是Zs=35+j155Ω，當(dāng)實現(xiàn)天線設(shè)計時，Zs還是理想的輸入阻抗。采用達到Zs輸入阻抗的目標(biāo)來實現(xiàn)優(yōu)化，以便可以從源(或天線)傳輸最大的功率。最終的設(shè)計如圖5所示，其在整個UHF RFID頻段內(nèi)平坦的阻抗響應(yīng)下產(chǎn)生了Za=34.3+j155Ω的輸入阻抗。其還擁有1.95dB增益的寬全方向圖。

在全部必要的電路和天線設(shè)計之后，要花時間將所有模塊放入系統(tǒng)仿真器中來實現(xiàn)通信鏈路分析。在Ansoft Designer中實現(xiàn)了兩個分離的系統(tǒng)平臺來完成鏈路測試。閱讀器到標(biāo)簽(例如上行鏈路)和標(biāo)簽到閱讀器(例如下行鏈路)測試平臺如圖6所示。在兩個實例中閱讀器都采用行為模型來實現(xiàn)。對于標(biāo)簽到閱讀器的測試，也包括了在閱讀器一側(cè)的行為級PSK解調(diào)器，來恢復(fù)PSK反向散射調(diào)制信號。

EPCglobal協(xié)議提供了長連續(xù)波(CW)脈沖來允許標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)之前上電。以下的仿真結(jié)果表示了在引導(dǎo)CW發(fā)射期間的上電行為(圖 7)。在深幅度調(diào)制(AM)的條件下可以觀察到電源電壓紋波?；謴?fù)后的PIE波如圖8中的綠線所示。

　　圖9表示了在標(biāo)簽一側(cè)作為輸入的返回調(diào)制數(shù)據(jù)。如前所述，閱讀器通過RCS的變化接收反向散射的能量。盡管在閱讀器一側(cè)可以看到數(shù)據(jù)恢復(fù)，但其噪聲很大。所恢復(fù)的時序和脈沖周期與經(jīng)過調(diào)制的信號輸入極為相關(guān)。

本文提出了基于商用0.18μm CMOS工藝的EPC Global Class-1 Generation-2 UHF RFID標(biāo)簽電路設(shè)計。采用標(biāo)準(zhǔn)晶圓廠庫器件和已建立的IC設(shè)計流程闡明了標(biāo)簽?zāi)M前端的設(shè)計和仿真，該模擬前端包括了整流器、電壓調(diào)節(jié)器、復(fù)位、解調(diào)器和調(diào)制器電路等。采用Nexxim來實現(xiàn)額外的諧波平衡和源拉仿真。文中所示的天線設(shè)計提供了與整流器輸入阻抗的共軛匹配。為了將所有這些方面組合在一起，頂層驗證組合了行為模型、HFSS天線系統(tǒng)模型以及Nexxim瞬態(tài)仿真。這樣，表明了該設(shè)計為上行鏈路和下行鏈路都提供了可靠的DC電源和解調(diào)后的信號。請參見圖10。（Ansoft公司）