半超寬帶超高頻射頻識(shí)別(SUUR)標(biāo)簽芯片的研究.pdf

1、隨著射頻識(shí)別、信息傳感等信息通信技術(shù)的發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)將向無(wú)所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)方向演進(jìn)，“泛在”將成為信息社會(huì)的重要特征。泛在網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)信息社會(huì)的重要載體和基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)得到國(guó)際普遍范圍的重視，各國(guó)相繼將泛在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提升到國(guó)家信息化戰(zhàn)略高度。
　　論文在對(duì)泛在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了相關(guān)介紹的基礎(chǔ)之上，提出了一種適用于構(gòu)建泛在網(wǎng)絡(luò)的終端系統(tǒng):半超寬帶超高頻射頻識(shí)別(SUUR)系統(tǒng)。并根據(jù)從系統(tǒng)分析到模塊電路設(shè)計(jì)再到整體電路仿真與驗(yàn)證的方向?qū)υ撓到y(tǒng)

2、進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。首先，對(duì)該系統(tǒng)的組成及其基本工作原理進(jìn)行了論述，并對(duì)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析;接著，對(duì)SUUR無(wú)源電子標(biāo)簽芯片的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，對(duì)標(biāo)簽芯片的整體性能指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)劃;然后，重點(diǎn)研究了SUUR無(wú)源電子標(biāo)簽芯片射頻模擬前端電路的設(shè)計(jì)，包括自適應(yīng)阻抗匹配電路、IR-UWB脈沖發(fā)射電路和RF接收電路等。
　　為實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽芯片阻抗和接收天線阻抗之間的共軛匹配。由于在設(shè)計(jì)

3、中通過(guò)仿真得到的天線及芯片的阻抗與實(shí)際值總是存在一定的偏差，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)芯片阻抗進(jìn)行測(cè)試，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)天線設(shè)計(jì)進(jìn)行多次修正，調(diào)整天線阻抗，最終達(dá)到最佳能量傳輸。事實(shí)上，芯片阻抗的實(shí)際值也會(huì)隨著輸入功率的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，因此在使用固定的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)情況下，即使通過(guò)反復(fù)測(cè)試、調(diào)試后設(shè)計(jì)的天線，在實(shí)際工作過(guò)程中也很難始終保證和芯片處在最佳匹配狀態(tài)，從而影響標(biāo)簽的閱讀距離及其整體性能，甚至有可能出現(xiàn)“死區(qū)”現(xiàn)象，

4、不能正常工作。因此，為使電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化（在可調(diào)電容調(diào)諧范圍足夠大時(shí)可直接選用阻抗為50Ω通用天線）、提高標(biāo)簽的閱讀距離并消除“死區(qū)”現(xiàn)象，本論文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)阻抗匹配系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)天線阻抗與芯片阻抗之間的實(shí)時(shí)、自動(dòng)匹配，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的最佳傳輸性能。該匹配網(wǎng)絡(luò)包含2個(gè)獨(dú)立的環(huán)路:第1個(gè)環(huán)路通過(guò)對(duì)并聯(lián)LC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片阻抗實(shí)部的實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)校正，而第2個(gè)環(huán)路通過(guò)對(duì)串聯(lián)LC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片阻抗虛部的實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)校正

5、。在這2個(gè)環(huán)路中，調(diào)諧元件采用的都是與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的MOS可變電容，以實(shí)現(xiàn)單片集成和連續(xù)調(diào)節(jié)。在第1個(gè)環(huán)路中，除了檢測(cè)阻抗的實(shí)部信息外，還檢測(cè)虛部的正負(fù)特性作為第2個(gè)控制準(zhǔn)則來(lái)確保環(huán)路的穩(wěn)定性。另外，本文還對(duì)該匹配系統(tǒng)的關(guān)鍵電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在915MHz頻率下對(duì)不同的芯片阻抗進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明:對(duì)于不同的芯片阻抗，都能快速地校正到目標(biāo)阻抗。另外，對(duì)電容的調(diào)諧范圍及調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的非理想特性進(jìn)行了分析，調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的插入損耗低于1.

6、5 dB，系統(tǒng)增益可高達(dá)2.7 dB。
　　UWB一個(gè)重要的設(shè)計(jì)初衷就是希望能夠和已有的窄帶通信設(shè)備共享頻譜資源。為確保UWB通信系統(tǒng)不干擾其他窄帶系統(tǒng)的正常工作，一個(gè)有效的方式就是限制其發(fā)射功率譜密度，但這還不足以完全解決UWB信號(hào)對(duì)其它無(wú)線電信號(hào)的干擾問(wèn)題。本論文將相互之間具有延遲時(shí)間Δt的兩個(gè)n階高斯脈沖相加，得到的組合脈沖也滿(mǎn)足IR-UWB脈沖的特性，且其功率譜密度是n階高斯脈沖的功率譜密度與余弦函數(shù)的乘積，因此在某些特定

7、頻率處將具有陷波（功率譜密度為零），陷波頻率的數(shù)值與延遲時(shí)間成反比，且對(duì)于某一個(gè)確定的延遲時(shí)間，在UWB頻帶內(nèi)可存在一個(gè)或多個(gè)陷波頻率，從而可以靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有某一個(gè)或多個(gè)窄帶通信系統(tǒng)干擾的抑制。
　　基于Chartered0.18μm2P4M EEPROM工藝，采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)SUUR標(biāo)簽芯片射頻模擬前端電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了整體仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該SUUR標(biāo)簽芯片工作中心頻率為915MHz，其工作距離大于10m，很好