半超宽带超高频射频识别(SUUR)标签芯片的研究

摘要

随着射频识别、信息传感等信息通信技术的发展，信息网络将向无所不在的泛在网络方向演进，“泛在”将成为信息社会的重要特征。泛在网络作为未来信息社会的重要载体和基础设施，已经得到国际普遍范围的重视，各国相继将泛在网络建设提升到国家信息化战略高度。
　　论文在对泛在网络进行了相关介绍的基础之上，提出了一种适用于构建泛在网络的终端系统:半超宽带超高频射频识别(SUUR)系统。并根据从系统分析到模块电路设计再到整体电路仿真与验证的方向对该系统进行了研究设计。首先，对该系统的组成及其基本工作原理进行了论述，并对相关协议标准进行了分析;接着，对SUUR无源电子标签芯片的整体结构进行了分析与设计，对标签芯片的整体性能指标进行了规划;然后，重点研究了SUUR无源电子标签芯片射频模拟前端电路的设计，包括自适应阻抗匹配电路、IR-UWB脉冲发射电路和RF接收电路等。
　　为实现最大功率传输，通常需要设计一个阻抗匹配网络来实现电子标签芯片阻抗和接收天线阻抗之间的共轭匹配。由于在设计中通过仿真得到的天线及芯片的阻抗与实际值总是存在一定的偏差，因此在实际应用中，应采用网络分析仪对芯片阻抗进行测试，然后根据测试结果，对天线设计进行多次修正，调整天线阻抗，最终达到最佳能量传输。事实上，芯片阻抗的实际值也会随着输入功率的变化而产生波动，因此在使用固定的阻抗匹配网络情况下，即使通过反复测试、调试后设计的天线，在实际工作过程中也很难始终保证和芯片处在最佳匹配状态，从而影响标签的阅读距离及其整体性能，甚至有可能出现“死区”现象，不能正常工作。因此，为使电子标签天线设计简单化（在可调电容调谐范围足够大时可直接选用阻抗为50Ω通用天线）、提高标签的阅读距离并消除“死区”现象，本论文设计了一种自适应阻抗匹配系统来实现天线阻抗与芯片阻抗之间的实时、自动匹配，从而实现标签的最佳传输性能。该匹配网络包含2个独立的环路:第1个环路通过对并联LC调谐网络的控制实现对芯片阻抗实部的实时检测与自动校正，而第2个环路通过对串联LC调谐网络的控制实现对芯片阻抗虚部的实时检测与自动校正。在这2个环路中，调谐元件采用的都是与标准CMOS工艺兼容的MOS可变电容，以实现单片集成和连续调节。在第1个环路中，除了检测阻抗的实部信息外，还检测虚部的正负特性作为第2个控制准则来确保环路的稳定性。另外，本文还对该匹配系统的关键电路进行了设计，并在915MHz频率下对不同的芯片阻抗进行了仿真验证，结果表明:对于不同的芯片阻抗，都能快速地校正到目标阻抗。另外，对电容的调谐范围及调谐网络的非理想特性进行了分析，调谐网络的插入损耗低于1.5 dB，系统增益可高达2.7 dB。
　　UWB一个重要的设计初衷就是希望能够和已有的窄带通信设备共享频谱资源。为确保UWB通信系统不干扰其他窄带系统的正常工作，一个有效的方式就是限制其发射功率谱密度，但这还不足以完全解决UWB信号对其它无线电信号的干扰问题。本论文将相互之间具有延迟时间Δt的两个n阶高斯脉冲相加，得到的组合脉冲也满足IR-UWB脉冲的特性，且其功率谱密度是n阶高斯脉冲的功率谱密度与余弦函数的乘积，因此在某些特定频率处将具有陷波（功率谱密度为零），陷波频率的数值与延迟时间成反比，且对于某一个确定的延迟时间，在UWB频带内可存在一个或多个陷波频率，从而可以灵活实现对现有某一个或多个窄带通信系统干扰的抑制。
　　基于Chartered0.18μm2P4M EEPROM工艺，采用低功耗设计技术对SUUR标签芯片射频模拟前端电路进行了设计，并对其进行了整体仿真验证。结果表明，该SUUR标签芯片工作中心频率为915MHz，其工作距离大于10m，很好的满足了设计指标的要求。