无源超高频RFID湿度传感芯片模拟前端设计

摘要

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)具有体积小、功耗低、无接触传输信息等特点。基于物联网的射频识别(RFID)系统和各种传感器相结合，在智能化识别、定位、监控、远程自动测试等领域得到越来越多的应用。本文研究一种超高频(UHF)RFID湿度传感芯片模拟前端电路。　　本文的主要工作包括以下几个方面:　　1、根据ISO18000-6 Type C协议规范，对无源UHF RFID湿度传感器的系统结构进行了研究，确定了各个子模块的电学性能指标参数。　　2、采用SMIC0.18um CMOS工艺，设计了集成湿度传感器的无源UHFRFID标签模拟前端电路。该电路由整流器电源、电压基准、电压调节器、RF接收解调电路、RF发射调制电路、湿度传感器、本地振荡器、上电复位电路等模块组成。为实现低功耗，整流电路的电荷泵输出高低压两种电压，分别给数字电路(1.8V)和模拟电路(1.0V);并在基准电压产生电路中采用亚阈值区MOS管降低功耗;RFID标签输出采用反向散射工作机制的ASK调制，通过调节标签天线输入阻抗匹配的程度，使天线反向辐射载波信号，向阅读器发送标签的输出信号，避免了射频载波的有源发射，功耗极低。仿真结果表明，模拟前段系统在数据率为40Kbps-160Kbps均可正常工作，总功耗为7uW，满足低功耗设计指标。　　3、设计了中心工作频率为900MHz天线。采用弯折偶极子天线类型，工作带宽80MHz，信号带宽范围内电压驻波比系数VSWR＜1.1，输入阻抗50欧姆。天线尺寸为130mm*30mm*1.6mm，折中兼顾了尺寸和接收电磁能量要求。　　4、研究了一种采用叉指结构的CMOS工艺电容式湿度传感器，具有较好的化学稳定性和较快的响应速度。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 RFID射频识别技术的国内外发展现状

1．3 集成湿度传感器的无源RFID标签的国内外研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 无源RFID技术原理与系统组成

2．1 无源RFID系统组成和工作原理

2．1．1 系统组成

2．1．2 射频信号频段

2．2 无源UHF RFID能量获取

2．2．1 正向链路传播能量

2．2．2 反向链路传播能量

2．3 无源RFID数据传输

2．3．1 正向链路数据传输

2．3．2 反向链路数据传输

2．4 电子标签常识

2．5 RFID现行标准

2．6 本章小结

第三章 湿度传感器设计

3．1 传感器概述

3．2 CMOS湿度传感器的设计方案

3．2．1 电容式湿度传感器的设计

3．2．2 感湿材料

3．2．3 叉指结构

3．3 本章小结

第四章 RFID标签模拟前端设计

4．1 模拟前端系统总体方案设计

4．1．1 模拟前端总体方案

4．1．2 系统指标设计

4．2 接口天线和匹配网络

4．2．1 天线基本知识

4．2．2 常见RFID接口天线介绍

4．2．3 弯折偶极子天线的设计

4．2．4 天线仿真结果与分析

4．2．5 匹配网络设计

4．3 电源产生电路设计

4．3．1 整流电路设计

4．3．2 稳压电路及保护电路设计

4．4 基准电压产生电路设计

4．4．1 基准电压电路主要性能参数

4．4．2 基准电压的主要原理

4．4．3 亚阈值基准电压电路设计

4．5 电容式湿度传感器测量电路设计

4．5．1 电容／频率转换电路

4．5．2 电容测量电路的设计

4．6 数据收发电路设计

4．6．1 解调电路

4．6．2 发送调制电路

4．7 时钟电路设计

4．7．1 时钟产生电路原理

4．7．2 时钟电路设计

4．8 上电复位电路设计

4．9 联合仿真

4．9．1 输入幅度500mv，数据率40Kbps

4．9．2 输入幅度800mv，数据率40Kbps

4．9．3 输入幅度500mv，数据率160Kbps

4．9．4 输入幅度800mv，数据率160Kbps

4．10 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间的学术活动及成果清单