Passiivse UHF RFID-transponderi kiibi raadiosagedusahela disain

Raadiosagedustuvastus (raadiosageduslik identifitseerimine, RFID) on automaatse identifitseerimise tehnoloogia, mis tekkis 1990. aastatel. RFID-tehnoloogial on palju eeliseid, mida vöötkooditehnoloogial pole, ning sellel on lai valik rakendusi, mida saab kasutada teise põlvkonna kodakondsuses*, linnakaartides, finantstehingutes, tarneahela haldamises jne, juurdepääsukontrollis, lennujaamade pagasi haldamises, ühistranspordis, konteinerite tuvastamisel, kariloomade haldamisel jne. Seetõttu on RFID-kiipide tootmistehnoloogia valdamine väga oluline. Praegu on kasvavad rakendusnõudmised esitanud RFID-kiipidele kõrgemad nõuded, mis nõuavad suuremat mahtu, madalamat hinda, väiksemat suurust ja suuremat andmeedastuskiirust. Selle olukorra valguses pakutakse selles artiklis välja pikamaa, väikese energiatarbega passiivse UHF RFID-transponderkiibi raadiosagedusahel.

RFID-i tavaliste töösageduste hulka kuuluvad madalsagedus 125 kHz, 134,2 kHz, kõrgsagedus 13,56 MHz, ülikõrgesagedus 860–930 MHz, mikrolaine 2,45 GHz, 5,8 GHz jne. Kuna madalsagedus 125 kHz, 134,2 kHz, kasutab kõrgsagedus 13,56 MHz süsteem antennina mähist ja induktiivse sidestuse meetodit, on töökaugus suhteliselt lühike, tavaliselt mitte üle 1,2 m, ja ribalaius on Euroopas ja teistes piirkondades piiratud mõne kilohertsiga. Kuid UHF (860–93 Uh 1 Hz) ja mikrolaine (2,45 GHz, 5,8 GHz) pakuvad pikemat töökaugust, suuremat andmeedastuskiirust ja väiksemat antenni suurust, mistõttu on see muutunud RFID-i kuumaks uurimisvaldkonnaks.

Selles artiklis pakutud raadiosageduslik vooluring on valmistatud lindist, kasutades Chartered 0,35 μm 2P4M CMOS protsessi, mis toetab Schottky dioode ja elektriliselt kustutatavat programmeeritavat püsimälu (EEPROM). Schottky dioodidel on madal seeriatakistus ja päripinge ning need pakuvad vastuvõetud raadiosagedusliku sisendsignaali energia alalisvoolutoiteks teisendamisel suurt muundamise efektiivsust, vähendades seeläbi energiatarbimist. Kui efektiivne isotroopne kiirgusvõimsus (EIRP) on 4 W (36 dBm) ja antenni võimendus on 0 dB, töötab raadiosageduslik vooluring sagedusel 915 MHz, lugemiskaugus on suurem kui 3 m ja töövool on väiksem kui 8 μA.

1 RF-ahela struktuur

UHF RF1D transponderkiip sisaldab peamiselt raadiosagedusahelat, loogikajuhtimisahelat ja EEPROM-i. Nende hulgas saab raadiosagedusahela osa jagada järgmisteks peamisteks vooluahela mooduliteks: kohalik ostsillaator ja kella genereerimise ahel, sisselülituslähtestusahel, pinge võrdlusallikas, sobitusvõrk ja tagasihajumise ahel, alaldi, pinge regulaator ja amplituudmodulatsiooni (AM) demodulaator jne. Peale antenni pole muid väliseid komponente. Antenniosa on dipoolstruktuuriga ja sobitatakse alaldi sisendtakistusega sobitusvõrgu kaudu, mis on kogu kiibi ainus energiaallikas. Selle ekvivalentmudel on näidatud joonisel 2. Dipoolantenni impedantsi reaalosa koosneb Rra-st ja Rlossist, kus Rra on dipoolantenni kiirgusimpedants, mis on dipoolantennile omane, üldiselt 73 Ω, mis esindab antenni võimet kiirata elektromagnetlaineid; Rloss Antenni valmistamiseks kasutatud metalli tekitatud oomiline takistus tekitab üldiselt ainult soojust. Antenni impedantsi imaginaarosa X on üldiselt positiivne, kuna antenn on üldiselt väljapoole induktiivne ja selle ekvivalentse induktiivsuse suurus sõltub üldiselt antenni topoloogiast ja aluspinna materjalist. Alaldi teisendab ühendatud raadiosagedusliku sisendsignaali võimsuse kiibi jaoks vajalikuks alalispingeks. Pinge regulaator stabiliseerib alalispinget teatud tasemel ja piirab alalispinge suurust, et kaitsta kiipi ülepinge tõttu tekkivate rikete eest. AM-demodulaatorit kasutatakse vastava andmesignaali eraldamiseks vastuvõetud kandesignaalist. Tagasihajumise ahel edastab transponderi andmed RFID-päringule või kaardilugejale, muutes raadiosagedusliku vooluringi impedantsi muutuva mahtuvuse abil. Sisselülituslähtestusahelat kasutatakse kogu kiibi lähtestussignaali genereerimiseks. Erinevalt 13,56 MHz kõrgsageduslikust (HF) transponderist ei saa 915 MHz UHF transponder kohalikku kella sageduse jagamise teel kandesagedusest, vaid saab digitaalse loogikaahela osa jaoks kella anda ainult sisseehitatud väikese võimsusega kohaliku ostsillaatori kaudu. Kõiki neid vooluahela plokke selgitatakse allpool üksikasjalikult ükshaaval.

2 Vooluringi projekteerimine ja analüüs

2.1 Alaldi ja pingeregulaatori vooluringid

Selles artiklis kasutatakse alaldi vooluringina Schottky dioodidest koosnevat Dicksoni laengupumpa. Vooluringi skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 3. See on tingitud asjaolust, et Schottky dioodidel on madal seeriapinge.takistus ja ülemineku mahtuvus, mis tagab vastuvõetud raadiosagedusliku sisendsignaali energia alalisvoolu toiteks teisendamisel kõrge muundamise efektiivsuse, vähendades seeläbi energiatarbimist. Kõik Schottky dioodid on omavahel ühendatud polü-polükondensaatoritega. Vertikaalsed kondensaatorid laevad ja salvestavad energiat sisendpinge Vin negatiivse poolperioodi jooksul, samas kui külgmised kondensaatorid laevad ja salvestavad energiat Vin positiivse poolperioodi jooksul, et genereerida alalisvoolu. Kõrge pinge korral on saadud pinge:

VDD=n·(Vp, RF-Vf, D)

Kus Vp, RF on sisendraadiosagedussignaali amplituud, Vf, D on Schottky dioodi päripinge ja n on kasutatava laadimispumba astmete arv.

Stabiliseerige alaldi väljundpinge teatud tasemel ja tagage kogu transponderkiibile stabiilne tööpinge, et tagada alalispinge amplituudi muutumatus transponderkiibi füüsilise asukoha tõttu ning vältida võimalikke kiibi lööke ja kulumist, et kaitsta transponderkiipi. Ahelal on isepingestatud Cascnde-struktuur. Selle vooluahela struktuuri valimise põhjuseks on see, et Cascnde-struktuuril on ühise väravatoru isolatsiooniefekt, mis võimaldab tal hästi summutada võimsuskõikumisi, parandades seeläbi toiteploki tagasilükkamise suhet (PSRR). Kahe haruvoolu põhistabiilsuse tagamiseks on Q1 ja Q2 pindalade suhe 1:8. Lisaks, erinevalt tavalistest kõrgsageduslikest RFID-transponderitest, oleme konstruktsioonis kasutanud väikese võimsusega pinge referentsallikat koos madalpinge käivitusahelaga, et vähendada kiibi üldist energiatarbimist.