パッシブUHF RFIDトランスポンダチップRF回路設計

無線周波数識別 (Radio Frequency IdenlificaTInn、RFID) は、1990 年代に登場した自動識別技術です。 RFID技術はバーコード技術にはない多くの利点があり、第二世代市民権*、シティカード、金融取引、サプライチェーン管理、ETC、アクセス制御、空港の手荷物管理、 公共交通機関、コンテナ識別、家畜管理など。そのため、RFIDチップの製造技術を習得することが非常に重要になります。 現在、アプリケーションの需要の増大により、RFID チップに対する要求が高まっており、大容量、低コスト、小型サイズ、およびより高いデータ速度が求められています。 この状況に従って、本論文は、長距離、低電力パッシブUHF RFIDトランスポンダチップRF回路を提案する。

RFIDの一般的な動作周波数には、低周波125kHz、134.2kHz、高周波13.56MHz、超短波860-930MHz、マイクロ波2.45GHz、5.8GHzなどが含まれます。 コイルをアンテナとして使用し、誘導結合方式を採用しており、作動距離は比較的短く、通常は 1.2m 以下であり、ヨーロッパやその他の地域では帯域幅が数 kHz に制限されています。 しかし、UHF (860～93Uh1Hz) とマイクロ波 (2.45GHz、5.8GHz) は、より長い作動距離、より高いデータレート、より小さなアンテナサイズを提供できるため、RFID の注目の研究分野となっています。

この論文で提案する RF 回路チップは、ショットキー ダイオードと電気的消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ (EEPROM) をサポートするチャータード 0.35μm 2P4M CMOS プロセスを使用してテープアウトされます。 ショットキー ダイオードは直列抵抗と順電圧が低く、受信した RF 入力信号エネルギーを DC 電源に変換する際に高い変換効率を提供できるため、消費電力が削減されます。 実効等方性放射電力 (EIRP) が 4W (36dBm) でアンテナ ゲインが 0dB の場合、RF 回路チップは 915MHz で動作し、読み取り距離は 3m を超え、動作電流は 8μA 未満です。

1 RF回路構成

UHF RF1D トランスポンダ チップは、主に無線周波数回路、論理制御回路、EEPROM で構成されています。 その中で、高周波回路部分は次の主要な回路モジュールに分けることができます: 局部発振器とクロック生成回路、パワーオン リセット回路、電圧基準源、マッチング ネットワークと後方散乱回路、整流器、電圧レギュレータ、振幅変調 (AM) ) 復調器など。アンテナ以外の外付け部品はありません。 アンテナ部はダイポール構造を採用しており、チップ全体の唯一のエネルギー源として整合回路を介して整流器の入力インピーダンスと整合されています。 その等価モデルを図 2 に示します。ダイポール アンテナのインピーダンスの実数部は Rra と Rloss で構成されます。ここで、Rra はダイポール アンテナの放射インピーダンスであり、ダイポール アンテナに固有のもので、一般に 73Ω です。 アンテナが電磁波を放射する能力。 Rloss アンテナの製造に使用される金属によってもたらされるオーム抵抗は、通常、熱のみを生成します。 アンテナは一般に外部に対して誘導性であり、この等価インダクタンスのサイズは一般にアンテナのトポロジーと基板の材質に依存するため、アンテナ インピーダンスの虚数部 X は一般に正になります。 整流器は、結合された RF 入力信号の電力をチップが必要とする DC 電圧に変換します。 電圧レギュレータは、DC 電圧を一定のレベルに安定させ、DC 電圧の大きさを制限して、過剰な電圧による故障からチップを保護します。 AM 復調器は、受信した搬送波信号から対応するデータ信号を抽出するために使用されます。 後方散乱回路は、可変静電容量を通じて RF 回路のインピーダンスを変更することにより、トランスポンダ データを RFID インテロゲータまたはカード リーダーに送信します。 パワーオンリセット回路はチップ全体のリセット信号を生成するために使用されます。 13.56MHzの高周波（HF）トランスポンダとは異なり、915MHz UHFトランスポンダは搬送波から周波数を分周してローカルクロックを取得することはできず、内蔵の低電力ローカル発振器を通じてデジタルロジック回路部分にクロックを提供することしかできません。 。 これらすべての回路ブロックについて、以下で 1 つずつ詳細に説明します。

2 回路設計と解析

2.1 整流器および電圧レギュレータ回路

本論文では整流回路としてショットキーダイオードで構成されたディクソンチャージポンプを使用しています。 回路の概略図を図 3 に示します。これは、ショットキー ダイオードの直列数が低いためです。抵抗と接合容量により、受信した RF 入力信号エネルギーを DC 電源に変換する際に高い変換効率が得られ、消費電力が削減されます。 すべてのショットキー ダイオードはポリ-ポリ コンデンサによって相互に接続されています。 垂直コンデンサは入力電圧 Vin の負の半サイクル中に充電およびエネルギーを蓄積し、横コンデンサは Vin の正の半サイクル中にエネルギーを充電および蓄積して DC を生成します。 高電圧の場合、結果として生じる電圧は次のとおりです。

VDD=n・(Vp、RF-Vf、D)

ここで、Vp, RF は入力無線周波数信号の振幅、Vf, D はショットキー ダイオードの順方向電圧、n は使用されるチャージ ポンプの段数です。

整流器による DC 電圧出力を特定のレベルで安定させ、トランスポンダー チップ全体に安定した動作電圧を提供して、トランスポンダー チップの物理的な位置によって DC 電圧振幅が変化しないようにし、チップの衝撃を回避します。 トランスポンダチップを保護するために磨耗します。 回路は自己バイアスCascnde構造を採用しています。 この回路構成を採用した理由は、Cascnde 構造がコモンゲート管のアイソレーション効果により電源変動を抑える能力が高く、電源電圧変動除去比（PSRR）が向上するためです。 2 つの分岐電流の基本的な安定性を確保するため。 Q1とQ2の面積比は1:8です。 さらに、一般的な HF RFID トランスポンダとは異なり、チップ全体の消費電力を削減するために、低電圧起動回路を備えた低電力電圧基準源を設計に採用しました。