射頻識別(radio frequency idenlificaTInn，RFID)是20世紀90年代興起的一種自動識別技術。RFID技術具有多種條形碼技術所不具備的優點，應用范圍十分廣泛，可應用于第二代公民身份*、城市一卡通、金融交易、供應鏈管理、電刊文費(ETC)、門禁控制、機場行李管理、公共運輸、集裝箱識別、畜牧管理等，因此，掌握制造RFID芯片的技術變得非常重要。目前，日益增長的應用需求對RFID芯片提出了更高的要求，要求其容量更大，成本更低，體積更小，數據速率更高。根據這種情況，本文提出了一種長距離、低功耗的無源超高頻UHF RFID應答器芯片射頻電路。

RFID常用工作頻率包括低頻125kHz、134.2kHz.高頻13.56MHz，超高頻860～930MHz，微波2.45GHz，5.8GHz等。因為低頻125kHz、134.2kHz，高頻13.56MHz系統以線圈作為天線，采用電感禍合的方式，其工作距離較近，一般不超過1.2m，帶寬在歐洲及其他地區限制為幾千赫茲。但超高頻(860～93Uh1Hz)和微波(2.45GHz，5.8GHz)可以提供更遠的工作距離，更高的數據速率，更小的天線尺寸，因此成為RFID的熱點研究領域。

本論文提出的射頻電路芯片采用支持肖特基二極管和電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)的Chartered 0.35μm 2P4M CM0S工藝進行流片。肖特基二極管具有較低的串聯電阻和正向電壓，在將接收到的射頻輸入信號能量轉換為直流電源供電時，能夠提供較高的轉換效率，從而降低功耗。在有效全向輻射功率(EIRP)為4W(36dBm)且天線增益為0dB的情況下，該射頻電路芯片工作在915MHz，其讀取距離大于3m，工作電流小于8μA。

1 射頻電路結構

圖1是UHF RF1D應答器芯片系統圖，其主要包含了射頻電路、邏輯控制電路和EEPROM。其中，射頻電路部分又可以分為以下幾個主要電路模塊：本地振蕩器和時鐘產生電路、上電復位電路、電壓參考源、匹配網絡和反向散射電路、整流器、穩壓器以及幅度調制(AM)解調器等。其中除天線外無外接元器件，天線部分采用偶極子結構，并通過匹配網絡與整流器的輸入阻抗進行匹配，作為整個芯片的唯一能量來源。其等效模型如圖2所示。偶極子天線阻抗的實部由Rra和Rloss，兩部分組成，其中Rra為偶極子天線的輻射阻抗，是偶極子天線固有的，一般為73Ω，它表征天線對外輻射電磁波的能力;Rloss為制作天線所用金屬帶來的歐姆電阻，一般只產生熱量。天線阻抗的虛部X一般為正值，這是因為天線一般來說總是對外呈現電感性，此等效電感的大小一般取決于天線的拓撲結構和基板材質。整流器將耦合到的射頻輸入信號功率轉換成芯片所需的直流電壓。穩壓器則將該直流電壓穩定在一定的電平上，并限制該直流電壓的幅度以保護芯片不會因電壓過高而擊穿。AM解調器用于從接收到的載波信號中提取相應的數據信號。反向散射電路通過可變電容來改變射頻電路的阻抗，從而將應答器數據發送到RFID詢問器或讀卡器。上電復位電路用于產生整個芯片的復位信號。與13.56MHz的高頻(HF)應答器不同，915MHz的UHF應答器不能從載波中分頻得到本地時鐘，而只能通過內建一個低功耗的本地振蕩器為數字邏輯電路部分提供時鐘。所有這些電路模塊將在下文中逐一詳細說明。

圖1 UHF RF1D應答器芯片系統圖

圖2 應答器天線的等效電學模型

2 電路設計與分析

2.1 整流器和穩壓器電路

本論文采用肖特基二極管組成的Dickson電荷泵作為整流器電路，其電路原理圖如圖3所示。這是因為肖特基二極管具有較低的串聯電阻和結電容，在將接收到的射頻輸入信號能量轉換為直流電源供電時可以提供較高的轉換效率，從而降低功耗。全部肖特基二極管均通過poly-poly電容連接在一起，其中縱向電容在輸入電壓Vin的負半周期進行充電、儲能，而橫向電容在Vin的正半周期進行充電、儲能，從而產生直流高電壓，其產生的電壓為：

VDD=n·(Vp，RF-Vf，D)

其中Vp，RF是輸入射頻信號的幅度，Vf，D是肖特基二極管的正向電壓，n為所采用電荷泵的級數。

圖3 整流器電路圖

圖4是穩壓器的電路圖。該電路是要將整流器輸出的直流電壓穩定在一定的電平上，并為整個應答器芯片提供穩定的工作電壓，來保證不會由于應答器芯片物理位置變化引起直流電壓幅度的改變，避免可能導致的芯片擊穿，從而起到保護應答器芯片的作用。該電路采用了自偏置的Cascnde結構，之所以選擇該電路結構是因為Cascnde結構存在共柵管的隔離作用，使其具有很好的抑制電源波動的能力，從而提高電源抑制比(PSRR)，保證兩個支路電流的基本穩定。其中Q1與Q2的面積比為1∶8。此外，與一般的HF RFID應答器不同，我們在設計中采用了具有低壓啟動電路的低功耗電壓參考源，以降低芯片的整體功耗

圖4 穩壓器電路圖