超高频射频识别空中接口及标签芯片实现关键技术研究

摘要

射频识别（RFID）是一种在非接触条件下对目标对象进行自动识别的技术，是物联网的重要核心技术之一。其中无源超高频射频识别(UHFRFID)技术，由于具有标签成本低、工作距离相对较远等优点，逐渐得到人们的关注，并且应用越来越广泛。
　　本文从分析超高频射频识别国际标准入手，对自主标准中空中接口的物理层和防碰撞技术进行了详细的分析和研究，并结合系统需求，对满足自主空口标准的标签芯片设计中的若干关键问题进行了研究并成功加以实现。
　　首先，从标签芯片能够驱动的解调电路的负载强度出发，论证了读写器到标签前向链路只能采用ASK调制方式的原因。另外，从提高能量传输效率的角度，提出了一种改进的MMC编码方案以及配套的前导码和帧同步码方案，并与现行的国际标准在性能方面进行了对比分析，结果表明，本文方案具有综合优势。
　　其次，通过预先分裂以及指定分裂节点的方式，改善了现行二叉树防碰撞算法效率低下的问题。仿真分析显示，相比国际标准中的防碰撞算法，本文方案具有更小的平均时延和更高的清点速率以及归一化吞吐量。
　　再次，对满足自主空口标准的标签芯片实现技术进行了研究，重点对影响电路性能较大的电流基准电路和时钟振荡器电路进行了设计。电流基准电路中，利用亚阈区MOS管电流的正温度系数特性和双极晶体管基极-发射极间电压负温度系数的特性，构造两种温度系数的电流电路并对两种电流求和，从而达到温度补偿的作用。而振荡器电路，则通过相位延迟电路，时钟校准电路以及Poly电阻与N阱电阻的温度补偿等技术手段，实现了在较大温差范围内具有良好的时钟稳定度。
　　另外，设计了一种嵌入到UHFRFID芯片中的温度传感器。其主要结构是一对结构完全相同的环形振荡器和计数器，其中一个振荡器的频率固定，另一个的频率随温度变化。固定频率振荡器的输出时钟驱动采样电路对随温度变化振荡器时钟输出的512分频采样计数，通过计数值来计算环境温度。
　　最后，设计的芯片在TSMC0.18μmMix-signal/RFCMOS工艺下流片，为了配合芯片整体功能和性能的测试，设计了一款基于T型匹配结构的弯折偶极子天线。采用绑定和倒装两种封装方式分别对芯片电路模块和标签整体进行了测试。测试结果表明，各模块性能指标良好，标签最远识读距离6米，最大写距离1.5米。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 UHF RFID 空中接口标准现状及专利现状

1.3 论文主要研究内容及创新点

1.4 论文组织结构

第二章 RFID 技术原理及系统分析

2.1 RFID 技术的物理学原理

2.2 UHF RFID 系统构成及工作原理

2.3 UHF RFID 系统链路的功耗预算

2.4 天线增益对传播距离的影响

2.5 实际环境中传播

2.6 小结

第三章 UHF RFID 空中接口关键技术研究

3.1 前向链路调制方式研究

3.2 前向链路数据编码研究

3.3 前向链路前导码和帧同步码研究

3.4 防碰撞机制研究

3.5 小结

第四章 UHF RFID 标签芯片的关键技术研究

4.1 芯片化实现的总体设计

4.2 射频/模拟前端芯片实现技术研究

4.3 低功耗数字基带设计

4.4 集成温度传感器的 UHF RFID 标签芯片研究

4.5 小结

第五章 标签设计与芯片测试验证

5.1 RFID 阻抗匹配标签天线研究

5.2 测试准备

5.3 芯片测试

5.4 小结

第六章 结束语

6.1 总结

6.2 展望

附录 A

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果