超高频RFID射频接口电路设计

 

　　1 引言

　　近年来，915MHz以及2.45GHz等UHF波段的射频标签由于工作距离远，天线尺寸小等优点越来越受到重视。射频标签芯片的射频接口模块包括电源恢复电路、稳压电路和解调整形电路。射频接口的设计直接影响到射频标签的关键性能指标。

　　本文对射频标签能量供应原理进行了详细的理论分析，并完成了电源恢复电路、稳压电路和解调整形电路的设计。

　　2 原理分析

　　2.1 电源恢复

　　无源射频标签依靠读写器发射出的电磁波获取能量。标签芯片获得的能量与很多因素都有关系，例如空间环境的反射，传播媒介的吸收系数，温度等。在理想自由空间，连续载波的情况下，有下面的近似公式：

　　

 

　　式中，Ptag_IC是芯片接收到的能量，Preader为读写器发射功率，Gtag是标签天线增益，Greader是读写器天线增益，R为标签到读写器的距离。

　　可以看到，标签接收到的功率主要和距离与载波频率相关，随距离的增大迅速减小，随频率的增加而减小。PreaderRreader也称为EIRP，即等效全向发射功率。它受到国际标准约束，通常在27~36dBm左右。例如，按照北美标准，读写器等效发射功率EIRP应小于4W，即36dBm。在自由空间中，915MHz的信号在4m处衰减为43.74dB。假设标签天线增益为1.5dBi，则在4m处无源射频标签可能获得的最大功率只有约 -6.24dBm，238W。利用标准的偶极子天线，在915MHz天线端能够获得的电压约200mV。在如此低的输入信号幅度下，采用普通全波或半波整流电路无法获得所需的直流电压，因此需要采用倍压结构的电源恢复电路。

　　倍压结构的电源恢复电路如图1所示。图中的二极管在实际应用时通常用MOS管替代。输入正弦交流信号RFin=VAsint。在RFin负半周期时，M0导通，C1充电。C1两端能够获得的最大电压为VA-Vd，其中，Vd为MOS管M0两端的电压降。

　　

 

　　RFin正半周期时，节点1的最大电压为VA+(VA-Vd)。该电压使得M1导通，C2充电，直到C2两端达到最大电压，即节点2的最大电压，为 VA+(VA-Vd)-Vd=2(VA-Vd)。依次类推，C3两端能够获得的最大电压为3(VA-Vd)，节点4的最大电压为4(VA-Vd)。节点 2N的最大电压为2N(VA-Vd)。于是，对于2N级电路，输出直流电压为：

　　

 

　　考虑输出负载的情况。假设负载抽取电流为Iout，输入交流信号频率为fsig，所有电容值都为C，则输出电压降低2NIout/Cfsig。于是，考虑输出负载情况下的输出电压为：