用于UHF RFID的功率放大器设计
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一种小型化便携式UHF RFID读写器的实现卓建亮;文光俊;李建【摘要】设计实现了一款小型化便携式UHF RFID读写器.采用Impinj公司的射频收发芯片R1000作为核心芯片,并结合电源管理模块、ARM7及其外围电路的设计,实现工作频率为860 MHz~960 MHz软件可调,可兼容EPC global Gen2和IS018000-6C两种标准.在8 dBi天线下,该读写器实现3 m以上的读写距离,并且可多标签读写.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2011(030)008【总页数】3页(P18-19,22)【关键词】UHF RFID;读写器;R1000;ARM7;便携式【作者】卓建亮;文光俊;李建【作者单位】电子科技大学通信与信息工程学院射频集成电路研究室,四川成都611731;电子科技大学通信与信息工程学院射频集成电路研究室,四川成都611731;电子科技大学通信与信息工程学院射频集成电路研究室,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TP914.4R1000芯片是Impinj公司的UHF RFID便携式读写器核心模块。
R1000内部集成了约90%以上的射频收发系统所需的元件,采用Atmel公司的ARM7处理器AT91SAM7S256作为MCU,增加外部驱放芯片设计,可在8 dBi增益的天线下实现稳定读写距离3 m以上。
1 系统设计本设计中,UHF RFID读写器硬件部分设计主要包括三部分[1-2]:(1)R1000及外围电路;(2)ARM7及外围电路;(3)电源管理模块。
如图1所示,R1000及其外围电路完成射频信号的收发、变频、数模/模数转换以及数据的调制/解调;ARM7及其外围电路对来自R1000或主机的数据按照协议进行处理,实现协议功能,并提供对外的通信接口;电源管理模块接收外部3.7 V DC输入转换成系统其他模块所需要的1.8 V、3.3 V、5 V,并提供相应的带负载能力。
1、UHF RFID读卡实验1.1、EPC Gen2读、写标签号实验实验目的理解UHF RFID的工作原理,并掌握其与HF RFID工作原理的异同点。
掌握EPC标签号的存储区域以及结构特点。
实验设备UHF 读卡器一个、UHF 天线一个、USB连接线一条、9V电源适配器一个、电脑一台、UHF实验上位机软件实验知识预备与原理1.UHF-RFID工作原理在UHF RFID阅读器及电子标签之间的通讯是采用电磁反向散射耦合方式完成。
电磁反向散射耦合方式类似雷达的工作原理,如下图所示。
阅读器就像手电筒,标签就像一个镜子,标签反射最大,就是逻辑“1”。
标签反射最小,就是逻辑“0”。
阅读器开始工作之后,通过天线先向空间发送860~960 MHz频率范围的载波,激活标签,然后开始发送带调制的命令信息到标签(TAG),可以采用ASK 调制,脉冲间隔编码(Pulse Interval Encoding),通讯速率26.7到128 KBIT/S。
在高频范围内的标签收到阅读器发出的高频载波信号,标签天线接收到特定的电磁波,天线就会产生感应电流,在经过整流电路时,激活电路上的微型开关,给标签供电。
标签上的电子线路,将根据阅读器发出信息,通过ASK或者PSK 耦合方式进行调制,FM0等编码方式,向阅读器反馈相关信息。
UHF标签电路采用ASK和PSK的调制方式,将编码信息发送给阅读器,实现了阅读器和标签之间的双向通讯。
相互认证通过之后,阅读器会向电子标签发出读、写、锁定、kill、盘存等操作指令。
2.EPC编码产品电子代码(EPC编码)是国际条码组织推出的新一代产品编码体系,原来的产品条码仅是对产品分类的编码,EPC码是对每个单品都赋予一个全球唯一编码,EPC编码96位(二进制)方式的编码体系,可以为2.68亿公司赋码,每个公司可以由1600万产品分类,每类产品有680亿的独立产品编码,形象的说可以为地球上的每一粒大米赋一个唯一的编码。
UHF频段RFID天线的小型化设计与分析一、综述随着无线通信技术的飞速发展,RFID(无线射频识别)技术已广泛应用于各个行业,从物流追踪、库存管理到门禁系统等。
特别是在UHF(超高频)频段,RFID系统的读写距离和读取速度得到了显著的提升,使其成为物联网领域备受关注的通信技术之一。
RFID系统主要由RFID阅读器(读写器)和RFID标签(电子标签)组成。
在UHF 频段,RFID阅读器和标签之间的能量传输主要依赖于天线。
传统RFID 天线由于尺寸大、损耗大等问题,在实际应用中逐渐暴露出性能不足的问题。
对UHF频段RFID天线进行小型化设计与分析显得至关重要。
天线的工作原理与性能参数:首先介绍RFID天线的基本工作原理,以及影响其性能的主要参数,如增益、驻波比、效率等。
小型化设计方案:探讨在UHF频段实现RFID天线小型化的各种途径,包括采用截断正方形贴片天线的SRR负载的超材料、开槽环谐振天线、截断正六边形贴片天线等。
同时将几种方案应用于实际中评估性能。
性能分析: 讨论在上述小型化方案中,如何优化设计以提高天线的性能,如提高方向性、减少互扰、降低损耗等,并分析这些方法在实际应用中的优势和局限性。
仿真实验与实际测试:通过使用电磁场仿真软件对小型化RFID天线进行初步设计估计,然后通过实际制作和测试对比实验数据,来验证改进方案的有效性和可行性。
_______技术简介RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术是一种基于无线射频通信的非接触式识别技术。
它通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需建立机械或光学接触。
RFID系统通常由标签(Tag)、读取器(Reader)和后端管理系统组成。
在RFID应用中,当标签进入阅读器的射频场范围内时,标签会自动激活并与读取器进行通信。
标签内包含了可编程的存储器和天线,用于存储信息、识别码以及接受命令。
读取器发送的无线电波能量会激发标签内的电路,使其能够传输存储在其中的唯一识别信息。
第30卷 第2期2007年4月电子器件Ch inese Jou r nal Of Elect ro n DevicesVol.30 No.2Ap r.2007CMOS L N A f or Homodyne UHF RF ID Receiver 3Z H A N G Ru n 2x i 1,S H I Chu n 2qi 1,CU I J i a n 2mi n g 1,L A I Zon g 2shen g 1,CAO Fen g 2w en21.I nst i tut e of Microel ect ronics Ci rcuit &S ys tem ,East Chi na Normal Universit y ,S hangh ai 200062;2.Dept of Microelect ronics ,S uzhou Vocati onal Uni versi t y ,S uzhou J i angs u 215000Abstract :A 1.2V 900M Hz L NA for U HF R F I D (Ult ra High Frequency Radio Frequency Identifica tion )system s implement ed i n TSMC 0.18μm st andard CMOS process ha s been proposed.The ci rcui t ry i s ad 2vise d based on t he feat ures of t he RF ID application.This induct ivel y degenera ted com mon 2source low noi se amplifier p rovides a forward gai n of 20.8dB wit h a noi se figure of onl y 1.1dB whil e eac h stage drawi ng a 2bout 10mA current f rom 1.2V supply volt age.The spurious t hree stage s st r uct ure which reuses t he bias current guara nt ees a reverse i solat ion about -87dB.This LN A achieves IP3of -8.4dB m ,1dB compres 2sion of -18dB m.K ey w or ds :receiver ;U H F R FID system ;homodyne ;CMOS low noi se amplifierEEACC :1220;2570F零中频UHF RFID 接收机中的低噪声放大器设计3张润曦1,石春琦1,崔建明1,赖宗声1,曹丰文21.华东师范大学微电子电路与系统研究所,上海200062;2.苏州职业大学电子系,江苏苏州215000收稿日期:2006204211基金项目:上海市科委项目资助(AM0513);苏州学院资助(06019)作者简介:张润曦(19782)男,博士生,华东师范大学微电子与电路系统研究所,苏州学院助教,主要研究方向为模拟集成电路设计,51041202035@st ;石春琦(2),博士生,华东师范大学微电子与电路系统研究所,研究方向为模拟集成电路设计;崔建明(2),博士生,华东师范大学微电子与电路系统研究所,研究方向为模拟集成电路设计;赖宗声(2),博导,教授,华东师范大学微电子与电路系统研究所,研究方向为集成电路设计;曹丰文(2),教授,苏州学院电子工程系,研究方向为集成电路设计摘 要:介绍了一个基于0.18μm 标准CMOS 工艺,可用于零中频U HF RF ID (射频识别)接收机系统的900M Hz 低噪声放大器.根据射频识别系统的特点与要求对低噪放的结构、匹配、功耗和噪声等问题进行了权衡与分析,仿真结果表明:在1.2V 供电时放大器可以提供20.8dB 的前向增益,采用源端电感实现匹配并保证噪声性能,噪声系数约为1.1dB ,放大器采用电流复用以降低功耗,每级电路从电源电压上抽取10mA 左右的工作电流,并使反向隔离度达到-87dB.放大器的IP3为-8.4dB m ,1dB 压缩点为-18dBm.关键词:接收机;超高频段射频识别系统;零中频;互补金属氧化物半导体低噪声放大器中图分类号:TN 722 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)022******* The application pot enti alit y of low cost and low powe r di ssipation U HF R FID syst em [1](e.g.,t ransport ation ,retail )has mot ivate d t he investi ga 2t ion of low 2noi se f ront end t echni que s i n st anda rd CMOS p rocesses.Rece nt work ha s demonst rat edt he viabilit y of CMOS RF f ront end i n 900MHz and hi gher f reque ncies [227]Typical U HF R FID receiver s ’f ront 2end are show n i n Fi gure 1.Bot h can opera te properl y wit hDS B 2AS K signal regul ated by U HF EPC global8.protocol.In Fig.1(a ),het erodyne arc hi tect ure exhi bi t s a serious i mage rej ection problem ,com 2monly ,i ma ge rejection filt ers realized as a pa ssive and exter nal component and not accept able for monol it hic i nt egration.The homodyne arc hi tect ure i n Fig.1(b )offers a n important advantage over a heterodyne count erpart.The probl em of image re 2jection is circumvent ed for zero IF.But ,sim ult a 2neousl y ,LNA in t hi s archit ect ure requi res addit ive performance ,such as hi gher reverse i solation.(a )Heterodyne receiver f ront 2e nd(b )Homodyne receiver f ro nt 2endFig.1 TWO receive r architecture s1 L NA Design and AnalysisThe primary goal i n t he desi gn of an L NA i s t o achieve lowest noi se wi t h reaso nable power di s 2sipation ,of course ,low suppl y vol tage and hi gh rever se isol ation peculiar to R FID application.Inorder to match wit h a n off 2chip 50Ωreal source i mpedance ,t here a re t hree usual mea ns ,i. e.,fee dback ,paral lel 50Ωresi stor and i nduct ive source degeneration.The drawback of feedback to 2pology i s t he rel atively low volt age gain at hi gh frequencies for t he bandwidt h limit ation at out put node.Parallel 50Ωresist or i nt roduce s a bound of 3dB on t he achievable noi se fi gure for t he t hermal noise of t he re si stor.In t his paper ,we employ t he i nduct ive source degeneration to provi de a mat cha 2bl e real part .Neglecti ng t he gat e 2drai n and source 2bul k capaci ta nce ,accordi ng to Fi g.2,we can writ eZ =(L +L )++L I ,f y 2nat e at t he f requency of int erest.Therefore ,an on 2chip L C mat ching net work may be needed.Fig.2 Inp ut stageThe noise figure ca n be appro ximat ed i n t he Fig.3,noise cont ri buted by second and followi ng st ages can be ignored when t he fi rst st age ’s gai n is enough.Several noi se sources will i nfl uence t henoi se figure of t he L NA.The source re si st ance ,i nducti ve resi st ance ,gate resi stance and cha nnel t hermal noi se cur re nt are i mportant.Amo ng t he se sources ,t he t hermal noi se is t he most significant.Accordi ng to ref.[8],4k Tγg m i s a ble to accepta bly p redict t he t hermal noi se of MOSFE T in sat ura 2tion.Experi ment al st udies have shown t hat γmay be as high a s 2to 3for short cha nnel devices oper 2at ing i n sat uration.The n we writ eI 2n =4kT γg m1Wi t h t he circuit ill ust rat ed in Fig.3,t he e 2quivalent t ransconductance of t he fir st st age ca n be wri tt en as [9]G eq =g m1Q in =g m1ωC gs (R s +ωT L s )=ωT2ωR s Fig.3 Equivalent circ uit for n oise figure calc ula tingwhere we have used t he app roxi ma tion t hat ωTi s t he rat io of g m1t o C gs .Q in i s t he effective i nput Q value of t he i nput sta ge.We can note t he ove rall t ransconductance is i ndepe ndent of t he device i nner I 2ff y T f y y154第2期张润曦,石春琦等:零中频U HF R FID 接收机中的低噪声放大器设计8i n s g s 1C gs sg m s C gsn practi ce t he i rst t wo t erm s ma not re so t ransconductance.t happens w hen t he two com peti ng e ect s cancel p reci sel .he noi se i gure is achi eved b t he tot al output noise power divided bt he noi se power at t he output onl y due to t he i nput noise power.We have[N F ]=1+R l R s +R gR s+R s g m1ωωT 2w here neglect ing t he cont ri bution of subse 2quent st ages.Obviously ,t he noi se figure will i m 2prove wi t h decreasing t he widt h of t he device.Of course ,it i s helpful to use new t echnology whilet he noi se fi gure is p roportional to 1/ω2T .F ig.4 C omplete LNA schematic with on 2chip in put matching2 Discussion &Simulat ion ResultsA complet e circuit is shown i n t he Fi g.4.In t hi s circuit ,bot h M 1and M 2operat e a s common 2source stage s ,but t hey share sa me bias current.It i s significant t o save power di ssipat ion by t he reuse of t he bias current.A not her com mon source st age i s followed to dri ve a 50Ωload.There are spuri 2ous t hree stage s in t his circuit.The signal ampli 2fied by M 1i s coupl ed to t he gate of M 2by M 1while t he source of M 2i s bypassed by C 2.In practice ,parasitic bot tom 2plat e capacit ance of C 1may limit t he gain of LNA.M 2plays a very i mportant role i n t hi s circuit by improving t he reverse i solation.It i s meani ngf ul t o lower t he L O unexpecta ble lea kage produced by t he fol lowing mi xer ,which will int ro 2duce unnecessary interf ere nce for Int errogators.To opt imize t he noi se performance of L NA ,we at t ai n noi se figure i n a way [9]t hat t ake s power di ssipation i nto account.According to t hi s powe r 2const rai ned noi se opti mi zation ,we achieve t he op 2f M T M t he i np ut device.The choice i s com mon and some 2what arbi t rary.In fact ,i t i s t he consequence of suppressi ng t he Miller effect and reduci ng t he de 2vice ’s own i nt ernal noi se.At a bias current of 10mA ,t he value of ωT i s achieved.In order to gener 2at e a real part of 50Ω,L s m ust be 3.5n H.Reso 2nati ng agai nst t he capacit ance of C gs at 900MHz requi re s a t ot al induct ance of about 20n H ,so t hatL g i s app roximat ely 16.5n H.The input and out 2p ut resonances are commonly set equal to each ot h 2er ,but an offset ca n be advantageous to yield a broader and flat t er response.An LNA based on t his topology ha s been sim 2ulat ed i n ADS wit h TSMC _CM018RF proce ss.The M 1st age is biased by an i np ut bia s net work.The re si stor R B I A S i s chosen e nough t hat it s equiva 2le nt noise cur re nt i s small eno ugh to be ignore d.In t hi s 50Ωsystem ,several kilohm is adequat e.The gat e i nduct ance L g is somewhat la rge.A planarspi ral of t his value would consume t re me ndous di e area and it s lossi ness woul d al so de grade t he noi sefigure significant ly.We realize only part of t he t o 2tal wi t h a bondwire and t he rest wit h an ext ernal i nductor.Excell ent repeata bili t y is possi ble for t he rel ative dimensional st abilit y.The i nductor L s is realized as ei t her a bondwi re of 3.5mm le ngt h or as an on 2chip planar spiral.A spiral inductor L d act s as t he load i nducta nce to resonat e a gai nst t he drain capacit ance of M 2a nd gate capaci tance of M 3.An open 2drain st age drives a 50Ωload.Aft er con 2st ructi ng ,we found t hat t he i nput re sona nce hap 2pened in a hi gher f requency ot her t han t he maxi 2mum gai n ,an on 2c hip L C net work was used to ad 2j ust t he i nput re sona nce.Usi ng t hi s ci rcuit ,t he si mulated forward gain of LNA was about 20.8dB and noi se figure was 1.1dB wit h 24mW power dissipation at 1.2V supply volt 2age.About half of the total power (10.8mW )is used i n t he output stage and able to be reduced by decrea 2sing t he size of M 3wit hout degrading t he noise per 2formance.T o the aut hors ’knowledge ,t he rever se i 2solation about -87dB i s t he hi ghe st one reported f MOS f U F 254电 子 器 件第30卷8t imum wi dt h o input t ransi stor 1.he t ransi stor 2i s chosen here to have t he same widt h a sto da te or a C a mpli ier operati ng a t H ba nd. (a)S 21 (b)S 12 (c)1dB Comp ression (d)Noise FigureFig.5 Fi g.5(a ),(b )ill ust rat e t he si mulat ed S 21,S 12of t he amplifier.A 1-dB compre ssion point sim ulation yielded -18dB m ,as shown i n Fig.5(c).The noise figure i s show n i n Fi g.5(d).T a ble.1 Compar iso n of 0.9~5.8GH z CMOS L NA per for ma nce reported in the litera tur e Y ea r G ain Re ver se isolation N F/dB V/V P/mW f req/GHz IP3/dBm Tec hnology/μmRef 200411.57-19.56dB 2.51 4.5 5.8-5.470.18[2]200320-35dB 2.4 3.37.2 2.4-3.40.25[3]200119.9-47.8dB 2.5214.7 2.420.35[4]199922NA 2.5 1.512 2.520.35[5]199815NA 2.8 3.654 1.9-100.8[6]199622NA 3.5 1.530 1.5-9.30.6[7]This work 20.8-87dB1.11.2240.9-8.70.183 ConclusionThe paper p rese nt s a 900MHz LNA i mple 2mented in a 0.18μm CMOS process.Analysis of 2t he a mplifier provides some insight s of t he pro 2posed LN A desi gn.The performance repre sent s ac 2cepta ble compari ng wi t h rece nt wor k li ste d in Ta 2bl e.1and havi ng hi ghest rever se isol at io n especial 2ly.Thi s LNA a rchi tect ure i s suit abl e for low volt 2age U HF RF ID homodyne recei vers a nd ot her higher freque ncy wi reless applications.Fut ure work may be focused on t he furt her opti mization of power di ssipation.4 A cknow ledgmentThe aut hor would like to acknowledge Chun 2Qi S H I ,Jia n 2Ming CUI ,Zong 2Sheng LA I a nd Feng 2Wen CAO for t heir a ssist ance during t he de 2si gn of t he L NA.R eferences :[1] EPC R adio 2Frequency Identi ty Prot ocol s C l ass 21Generatio n 22U H F R FID Pro tocol fo r C o mmunicat ions at 8602960MH Z[S][B OL ][2] Wan g X Z ,Weber R.Des i gn of a CMOS Low Noise A m plifi er(LNA )at 5.8GHz and It s Sen s i ti vit y Anal ysi s[C][EB /OL ].Avail abl e at :ht t p ://www.cam /sym po sium s.[3] Yang X M ,Wu T X ,Mcmacken J .Des i gn of L NA at 2.4GHzu s i ng 0.25m CMOS t echnology [J ].Microwave and Opt ical Technology L et t er s ,2003,36(4):2702275.[4] Huang J C ,Weng R M ,C hang C C.A 2V 2.4GHz f ully i n 2t egrat ed CMOS L NA[C ]//Proc 2001IEE E Intl Symp C i rcuit s Syst 4(2001):4662469.[5] Rafla R A ,El 2G amal M N.Des i gn of a 1.5V CMOS int egrat 2ed 3GHz LNA [C ]//Proc t he 1999IEEE Int l Symp Ci rcuit s Syst 2(1999):4402443.[6] K i m C S ,M Par k ,K i m C H.A Full y Int egrat ed 1.92GHzCMOS Lo w 2Noi s e Amplifi er [J ].IEE E Mi crowave and Gui de W ave Let ters ,1998,8(8):2932295.[7] Shaeffer D K ,L ee T H.A 1.5V ,1.5GHz CMOS lo w noi seamplifier[C]//Symposiu m on VLSI C i rcuit s Di gest (1996):32233.[8] Wang B ,Hel lum s J R ,Sodi ni C G.MOSFET Thermal Noi seModel ing for Analog Integrat ed Ci rcuit s [J ].I EEE J ournal of Soli d 2St at e circui t s ,1994,29(7):8332835.[9] Lee T H.The Des i gn of CMOS Radio 2Frequency Int egrat edCircui t s [M ].Cambri dge U ni versit y Pres s ,C am bri dge ,Eng 2land ,2004.[10] Behzard R.R F Mi croel ect ronics [M ].Pear s on Educat ionInc.,1998.354第2期张润曦,石春琦等:零中频U HF R FID 接收机中的低噪声放大器设计8E /.A vaila ble at :ht tp ://ww w.epc gl obali nc.or g.。
UHF RFID阅读器基带处理接收端电路的设计UHF RFID阅读器基带处理接收端电路的设计类别:模拟技术摘要: 根据UH F RFID阅读器实现的IQ 两路正交调制解调的零中频方案,设计和实现了阅读器基带处理芯片接收端电路,包括电路总体结构及解调器、解码器等关键模块的设计,完成其RTL设计、仿真及FPGA原型验证。
该设计在物理层数据编码、调制方式及其他关键技术进行了改进,性能上有很大的提高。
UHF RFID技术将广泛应用于各个行业领域,可靠的阅读器是UHF RFID系统的重要组成部分,而基带处理芯片能够为阅读器设计提供基带信号处理解决方案。
结合UHF RFID技术本身所固有的特点,本文的阅读器设计采用了IQ 两路正交调制解调的零中频方案。
整个阅读器由射频前端和基带处理两个部分组成,射频前端对发送基带信号进行上变频和功率放大等处理后发射给电子标签,然后在接收到标签的返回信号时,对接收信号进行放大、滤波、下变频等处理后将基带信号传输给基带处理芯片。
本文介绍基于ISO ⁄IEC 18000 6C 协议的UHF RF ID阅读器基带处理芯片接收端电路的设计,该电路可以与基带处理发送端、中央处理器( CPU )集成,共同构成整个基带处理芯片。
1 电路总体结构UHF RFID阅读器基带处理接收端电路的总体结构如图1所示,主要包括输入基带信号低通滤波器、解调器、解码器、数据串并转换模块、信息传递接口(MPI)模块和接收机控制模块六个功能模块。
从ADC 采样进来的两路基带正交信号i_data i和i_dataq首先经过低通滤波器FIR _ filter进行滤波,以便后级电路对信号进行处理。
图1 UHF RFID阅读器基带处理接收端电路框图滤波后的I和Q信号进入解调器demodu lator,调制方式自动识别子模块mode_d iscrim inator首先识别接收信号的调制方式,之后选择对接收信号进行ASK或者PSK 解调得到没有实现位同步的信号,最后位同步子模块bit_synchrono izer从该信号提取出位同步时钟并判决得到同步二进制数据流。
U H F R F I D标签关键电路分析和集成电路设计射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是一种非接触式自动识别技术。
该技术利用射频信号及其空间耦合和传输特性进行双向通信以达到识别和交换数据。
一个基本的RFID系统由电子标签、读写器、天线和后台系统组成。
其中电子标签芯片包含射频模拟前端电路、数字基带及存储单元三个部分。
其中射频模拟前端电路的关键电路包括整流电路(Rectifier)、稳压电路(V oltage Regulator)、上电复位电路(POR)、解调电路(Demodulator)、时钟产生电路(Clock Generator)、负载调制电路(Load Modulator)等部分。
本文首先介绍RFID发展的历史及现状,接着又介绍了RFID系统的工作方式及工作原理。
本文的重点是介绍前端电路中各模块的设计思想及流程,采用仿真软件tanner对前端电路设计方案进行仿真并进行可行性分析,确定一种最优的设计方案。
第一章绪论1.1前言射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术,利用射频信号及其空间耦合和传输特性进行非接触双向通信、实现对静止或移动的自动识别和信息采集错误!未找到引用源。
随着人类社会进入信息时代后,信息处理的数字化已经嵌入到我们生活的每一个角落,我们的生活已经离不开各式各样的数字产品。
随着计算机计算能力的不断提高,数据采集能力也在不断的提高,自动识别技术作为一种准确高效的采集手段在近半个世纪得到了飞速的发展。
一个RFID系统由电子标签、读写器、天线和后台系统组成。
电子标签作为存储信息的媒介可供读写器识别和读取。
读写器负责读取与写入电子标签中存储的信息。
天线用于发射或感应射频信号,其设计对标签的读写性能有很大影响。
读写器与电子标签的工作频率可分为低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(860~960MHz)和微波(2.45GHz)错误!未找到引用源。
适用于UHF频段上的RFID读写器天线设计基于RFID系统对天线的要求,提出了一种适用于UHF频段上的RFID读写器天线。
该天线采用背馈馈电方法,通过在分形结构上采用非对称矩形切角来实现天线的小型化和圆极化。
利用电磁仿真软件分析了天线性能,仿真与测试结果吻合良好。
无线射频识别(RadioFrequencyIdentifICation,RFID)是一种借助于电磁波传播和感应而进行的自动识别技术,该技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础,被列为21世纪十大重要技术之一。
目前已广泛应用于物流管理、动物识别和电子收费等领域。
无源UHFRFID技术具有工作距离远和数据传送速度快等特点,被认为是最具有应用前景的RFID技术。
在UHFRFID系统中,天线性能的高低直接影响系统的识别距离,是一个非常重要的器件。
随着UHFRFID技术的发展,小型化、高增益、低成本的天线越来越受关注。
在众多可适用于UHFRFID系统阅读器的天线中微带贴片天线因其结构简单、便于加工制作而被更多的研究和应用。
传统的矩形微带贴片天线尺寸为谐振频率的半波长,天线的尺寸受到严格的限制。
可以通过提高介质基片介电常数、加载短路探针、加载缝隙等方法实现贴片天线尺寸的减小,但是天线的性能会受到很大的影响,尤其是天线的增益和带宽。
本文在这样的背景下设计了一款小型化、高增益微带天线。
该天线基于Minkowski分形结构,并在其基础上通过矩形切角来实现圆极化,满足UHFRFID系统对天线的要求。
该微带分形天线的中心工作频率为915MHz,增益最大可以达到6.15dBi,-10dB阻抗带宽为905~930MHz,物理尺寸为140mm×140mm。
仿真结果和测试结果吻合较好,从而验证了本文设计的正确性。
1天线的设计分形结构通常是按照一定的分形因子对初始单元进行自相似迭代生成的,初始单元决定了分形图形的框架,分形因子决定了分形图形的内部结构。
天馈伺系统UHF宽带线性功率放大器设计*张晓发1,王超1,袁乃昌1,万志坤2(1.国防科技大学电子科学与工程学院,长沙410073;2.江南遥感研究所,上海200436)【摘要】针对电磁环境模拟器应用设计了一个全固态UHF波段多级宽带线性高功率放大器。
驱动放大器工作在A 类,末级放大器以三个A B类功放模块频域分段覆盖工作频段,通过控制P I N开关切换。
末级输出接低通滤波器改善谐波。
实测从400M H z~1250MH z,功放的1dB压缩点功率为25W(44dB m),二次谐波低于-40dBc,输出功率在38dB m 时双音测试三阶交调(I M3)优于-44dBc。
【关键词】超高频;功率放大器;宽带;线性中图分类号:TN955文献标识码:AD esign of a UHF B roadband L i near Po w er AmplifierZ HANG X i a o-fa1,WANG Chao1,YUAN Na-i chang1,WAN Zh-i kun2(1.Schoo l o f E lectron ic Sc ience and Technology,NUDT,Changsha410073,Ch i n a)(2.Jiangnan Re m ote Sensi n g Institute,Shangha i200436,China)【Ab stract】A mu lt-i stage UHF broadband li near h i gh pow er a m plifier(PA)is desi gned for t he app licati on as an electro-m agnetic env iron m ent si m u lator.T he dr i ve amp lifi e r opera tes i n class-A.The out put a m plifi er is co m posed of three class-A B a m-p lifiers wh i ch cover t he whole band by seg m ent and the seg m ents can be s w itched by P I N s w itchs.T he m easured res u lt sho w s the 1dB co m pressi on po i nt o f the PA i s about44d Bm(25W),t he2nd harmonic i s be l ow-40d B and the3rd order i nter m odu l a ti ond i stortion(I M3)is bette r t han-44dBc(2-tone test at38dB m output)i n the w ho le band from400MH z to1250MH z.【K ey w ords】UHF;pow er a m plifi er;broadband;li nearity0引言电磁环境模拟器是大型电子设备外场测试装置,为电子设备外场测试提供准确、复杂的空间通信信号电磁环境。
低频rfid信号功率放大器实验报告
实验目的:搭建一款低频RFID信号功率放大器,测量其放大功率和频率响应,并对实验结果进行分析。
实验原理:低频RFID信号功率放大器是一种用于放大低频RFID信号强度的电路。
其基本原理是采用场效应管作为放大器管,通过调整管子的偏置电压和负载匹配,从而达到对信号进行放大的目的。
实验设备:示波器、信号发生器、场效应管、电阻、电容、半固定电阻、端口复用器等。
实验步骤:
1. 按照电路图连接电路,调节场效应管的偏置电压,使得电路工作在合适的工作点。
2. 使用信号发生器产生低频RFID信号,连接到放大器输入端口。
3. 打开示波器,连接到放大器输出端口,调节示波器的设置,以测量放大器的输出功率和频率响应。
4. 记录实验数据,并进行分析。
实验结果:
在实验中,我们按照上述步骤进行了实验,下面是我们的实验结果:
输出功率:200mW
频率响应:10kHz-100kHz
根据实验结果,我们可以看出,在合适的工作点下,这个低频RFID信号功率放大器可以非常有效地放大低频RFID信号,
并且在10kHz-100kHz的频率范围内,频率响应非常平坦。
实验总结:
通过本次实验,我们了解了低频RFID信号功率放大器的基本
原理,以及如何调整电路参数来实现对信号的放大。
同时,我们也掌握了使用示波器等设备进行测量和分析实验结果的方法,对提高我们的实验能力有很大的帮助。
超高频无源RFID标签的一些关键电路的设计本文针对超高频无源RFID 标签芯片的设计,给出了一些关键电路的设计考虑。
文章从UHF RFID标签的基本组成结构入手,先介绍了四种电源恢复电路结构,以及在标准CMOS 工艺下制作肖特基二极管来组成倍压电路的解决方案。
然后针对电源稳压电路,提出了串联型和并联型两种稳压电路。
文章针对ASK 包络解调电路,提出了新的泄流源的设计。
最后,文章介绍了启动信号产生电路的设计考虑。
1 引言超高频无源RFID 标签(UHF Passive RFIDTag)是指工作频率在300M~3GHz 之间的超高频频段内,无外接电源供电的RFID 标签。
这种超高频无源RFID 标签由于其工作频率高,可读写距离长,无需外部电源,制造成本低,目前成为了RFID 研究的重点方向之一,有可能成为在不久的将来RFID 领域的主流产品。
对于UHF 频段RFID 标签的研究,国际上许多研究单位已经取得了一些出色的成果。
例如,Atmel 公司在JSSC 上发表了最小RF 输入功率可低至16.7μW的UHF 无源RFID 标签[1]。
这篇文章由于其超低的输入功率,已经成为RFID 标签设计的一篇经典文章,被多次引用。
在2005 年,JSSC 发表了瑞士联邦技术研究院设计的一款最小输入功率仅为2.7μW,读写距离可达12m 的2.45G RFID 标签芯片[2]。
在超小、超薄的RFID 标签设计上,日本日立公司在2006年ISSCC 会议上提出了面积仅为0.15mm×0.15mm,芯片厚度仅为7.5μm 的RFID 标签芯片。
国内在RFID 标签领域的研究,目前与国外顶尖的科研成果还有不小的差距,需要国内科研工作者加倍的努力。
图1 UHF 无源RFID 芯片的结构图如图1 所示,一个完整超高频无源RFID 标签由天线和标签芯片两部分组成,其中,标签芯片一般包括以下几部分电路:∙电源恢复电路∙电源稳压电路∙反向散射调制电路∙解调电路∙时钟提取/产生电路∙启动信号产生电路∙参考源产生电路∙控制单元∙存储器无源RFID 标签芯片工作时所需要的能量完全来源于读卡器产生的电磁波的能量,因此,电源恢复电路需要将标签天线感应出的超高频信号转换为芯片工作需要的直流电压,为芯片提供能量。
第一章快速指导1.1产品概述UHF RFID手持机是一款基于WINCE 6.0操作系统的手持式读写器,支持ISO18000-6C(EPC C1 G2)协议,读卡距离可达7米;可通过USB接口与PC机交换同步数据,实现实时通讯,最高支持32G的Micro SD(T-Flash)卡扩展;具有防掉电数据安全保护,在完全掉电情况下数据不丢失.产品应用:♦仓库物流,资产,畜牧业,图书,门票,门禁,集装箱等领域;需要移动采集数据的各种场合产品特点:♦支持EPC Class1 Gen2/ISO18000-6C;♦输出功率软件可调,10dBm~28dBm,1dBm步进;♦读取距离可达7米(标签为UPM SHORTDIPOLE_M3);♦4小时以上连续工作时间,待机约20天♦人体工学设计手柄,减轻使用疲劳感性能指标性能参数处理器ARM11, 667MHz内存容量128MB SDRAM,256MB NAND-Flash操作系统WINCE6.0无线通讯WIFI符合IEEE 802.11b/g蓝牙(选配)符合Bluetooth 2.1+规范GPRS(选配)支持(900、1800MHZ)广域无线通讯显示屏 3.2英寸,分辨率240*320,工业TFT液晶屏,带触摸存储卡最大支持32G Micro SD卡电池锂聚合物可充电电池,3500mAh,7.4V工作时间连续读卡约4小时条码模组一维模组(标配),二维模组(选配)拓展模组GPRS模组(选配),GPS模组(选配),2.4G模组(选配) 指示灯网络指示灯,电源指示灯键盘27键输入音频1524大喇叭通讯接口USB SlaveRFID参数支持协议EPC Class1 Gen (ISO18000-6C)频率中国:920MHz~925MHz北美:902MHz~928MHz(默认)欧洲:865MHz~868MHz可定制频率范围:860MHz~960MHz 读取距离最大7M(与标签有关)写入距离最大3M(与标签有关)物理参数外形尺寸81*183*150mm整机重量 1.115kg(含充电底座)环境参数工作温度-20℃~50℃存储温度-20℃~70℃存储湿度5%~95%无凝露防护等级IP65手持机侧面示意图1616134 5 678910111214 13 1项 目 数量 备 注 主机 1 UHF RFID 手持机触屏笔 1 带弹簧绳USB 线 1 USB 转Micro 5pin提示对话框 长按开手持机开/关机键充电芯片图1.2双击手持机电池电量图标进入到电池属性界面,在此界面可以查看当前剩余电量及充电状态;如下图1.3所示:图2.3”选项→单击“重新安装驱动程序”按钮→勾选“从列表或指定位置安装”选项再单2.4图3.2电源打开后;手持机主界面→点击“系统”图标图5.1 图5.2附录二保养维护♦请勿在有腐蚀性的环境中使用终端;♦请勿让终端高空跌落或受到强烈撞击;♦在装SIM卡时建议让手持机处于关机状态;♦勿使用尖锐的东西触碰屏幕,以免对屏幕造成损坏;♦如屏幕表面肮脏,可使用软布沾稀释的屏幕清洁剂进行清洁;♦请勿将终端存放在阳光直接照射、湿度极高和靠近热源的位置;♦请勿使用非本设备专用的电池充电器及电池,以免对设备造成损坏;♦按照规定弃置使用过的锂离子电池。
《基于UHF RFID技术的智能书架管理系统研究与设计》一、引言随着科技的发展和社会的进步,图书馆管理面临着越来越多的挑战。
为了更有效地管理图书资源,提高借阅效率,减少人为错误,基于UHF RFID(超高频无线频率射频识别)技术的智能书架管理系统应运而生。
本文旨在研究并设计这一系统,以期为图书馆的现代化管理提供新的解决方案。
二、UHF RFID技术概述UHF RFID技术是一种无线频率射频识别技术,具有识别速度快、准确度高、非接触式读取等优点。
通过UHF RFID技术,可以实现对大量物品的快速、准确识别和追踪,为智能书架管理系统的实现提供了可能。
三、智能书架管理系统设计(一)系统架构设计智能书架管理系统主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括UHF RFID读写器、标签、天线等;软件部分则包括数据库、算法和应用软件等。
其中,UHF RFID读写器用于读写标签信息,数据库用于存储图书和书架的信息,应用软件则负责处理和显示数据。
(二)功能模块设计1. 图书信息管理模块:该模块负责管理图书的入库、出库、借阅、归还等操作,并实时更新图书信息。
2. 书架信息管理模块:该模块负责实时监测书架的使用情况,如空闲位置、已借出图书的位置等,以实现智能推荐借阅。
3. 智能识别与追踪模块:该模块利用UHF RFID技术,实现对图书的快速识别和追踪,提高借阅效率。
4. 数据分析与优化模块:该模块负责对系统运行数据进行收集、分析和处理,为系统优化提供依据。
四、系统实现与测试(一)硬件实现硬件部分主要包括UHF RFID读写器、标签和天线等。
其中,UHF RFID读写器负责与标签进行通信,标签则用于标识每本图书的唯一信息。
天线的选择和布置对于系统的性能至关重要,需要根据实际情况进行优化。
(二)软件实现软件部分包括数据库设计、算法实现和应用软件开发等。
数据库负责存储和管理图书和书架的信息;算法则用于处理和优化系统运行数据;应用软件则负责与用户进行交互,提供友好的操作界面。
物联网RFID射频系统中放大器的设计与测试物联网RFID射频系统中放大器的设计与测试随着物联网技术的发展和应用,RFID射频技术也逐渐成为智能化物联网系统中必不可少的核心技术之一。
而在RFID射频系统中,放大器作为重要的信号处理器件,发挥着关键作用。
因此,在物联网RFID射频系统的设计中,放大器的设计和测试显得尤为重要。
一、物联网RFID射频系统中放大器的设计物联网RFID射频系统中的放大器主要有两种类型:功率放大器和低噪放大器。
功率放大器主要用于RFID天线驱动,低噪放大器主要用于信号放大和转换。
在设计放大器前,需要选定合适的工作频段和技术方案,并综合考虑放大器的工作方式、参数、线路、元器件等一系列因素。
1. 选择工作频段RFID射频系统中常用的工作频段有LF、HF、UHF、MW、LW等,其中LF频段(125KHz到134.2KHz)、HF频段(13.56MHz)、UHF频段(860MHz到960MHz)是应用最为广泛的三个频段。
选择工作频段时要综合考虑系统的应用需求、天线的带宽和增益等因素,以确定放大器的技术方案。
2. 设计放大器参数放大器参数主要包括增益、带宽、输入和输出阻抗、噪声系数、稳定性等。
为了设计出性能优良的放大器,需要综合考虑系统的应用特点和要求,按照设计规范和标准进行测试和优化。
其中,增益和带宽是放大器设计时最为重要的参数之一。
可以采用软件仿真等技术手段进行优化设计。
3. 设计放大器线路放大器的线路设计主要包括单端、差分模式设计,以及布局和布线设计。
在线路设计过程中,需要保证放大器的抗干扰性、抗磁场干扰能力、瞬态响应等性能指标;对于高频放大器,在布局和布线设计中还需注意信号线的阻抗匹配和互相的隔离等问题。
同时,放大器线路的稳定性和可靠性也是设计的关键因素之一。
4. 选择放大器元器件放大器元器件的选择要考虑元器件的特性、工作条件、可靠性等因素。
常用的放大器元器件包括二极管、场效应管、晶体管、集成电路等。
用于UHF RFID的功率放大器设计
摘要:功率放大器是UHF RFID系统的重要模块,也是RFID系统中功耗最大的器件。
本文采用TSMC0.18rf CMOS工艺,设计了一款用于RFID的线性功率放大器。
在915 MHz频段,最大输出功率为17.8 dBm,饱和效率达到了40%,输出1 dB压缩点(P1dB)为15.4 dBm,其小信号增益达到了28.7 dB。
关键词: RFID;CMOS功率放大器;1dB压缩点;小信号增益;PAE
1 RFID系统与PA 近年来,无线通信技术得到了迅速发展。
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)作为一种新兴的自动化识别技术已经广泛应用于物流管理、门禁管理等多个领域,有广泛的应用前景和巨大的市场价值。
其基本原理是利用射频信号的反射传输,实现读写器与标签之间的通信[1]。
一个典型的RFID系统包括读写器、标签、后台计算机等[2],功率放大器是RFID系统的最后一级,它负责将基带电路传送来的调制信号放大,然后通过天线发射出去。
由于功率放大器存在非线性失真等非理想因素,而且是系统中功耗最大的器件,故必须仔细设计,以免影响发射信号质量。
目前功率放大器市场上较为流行的工艺是砷化镓(GaAs)工艺,它具有良好的高频特性,但价格昂贵。
随着便携式设备的广泛应用,低压、低成本、高效率IC(Integrated Circuit)成为技术研究的重点。
现今CMOS工艺的截止频率能达到100 GHz以上,显示了良好的高频特性。
而其工艺简单、价格便宜、易于与其他模块集成的特点,也使得CMOS功率放大器得到了广泛的研究和应用,现在已经有研究人员设计了60 GHz的功率放大器[3,4]。
本文采用台积电的CMOS工艺(TSMC0.18rf),实现了一款用于RFID读写器的功率放大器,工作频段为90
2 MHz~928 MHz。
系统采用幅移键控调制方式(ASK),为了保证线性度,同时兼顾效率,故放大器工作在AB类。
功率放大器饱和输出功率为17.8 dBm,功率附加效率达到了40%,输出1 dB压缩点为15.4 dBm,小信号增益28.7 dB。
2 电路设计本文描述的功率放大器。
由于单级放大不能提供足够大的增益,故采用两级放大结构以保证输出功率;为了保证功率放大器的线性度与效率,第一级偏置在A类,第二级工作在AB类。
两级放大器的工作电源Vdd都是1.8 V。
第一级MOS管上串联的电阻R1和电容C2能够提高功率放大器低频下的稳定性[5];L1、C1、Cd1构成输入匹配网络,其中Cd1也起隔直电容的作用;Cd2、L2、C4、C5构成输出匹配网络,用于抑制高次谐波分量,同时将天线负载转换为输出级最佳匹配负载;L3、L4分别是第一级和第二级的源级键合线;RFC1和RFC2分别是第一级和第二级的扼流圈RFC(RF Choke)。
深亚微米工艺下,MOS管的击穿电压值低。
由于AB类功率放大器工作时的漏极电压可达2倍电源电压,容易使得MOS栅漏极电压超过击穿电压,所以,为了防止MOS管被击穿,第二级采用共源共栅(Cascode)结构。
同时,由于Cascode结构的隔离作用,能够增加前后级的隔离度,进而增加功率放大器的稳定性。
3 版图设计在Cadence Virtuoso环境下设计了版图,版图尺寸为760 ?滋m×450 ?滋m。
在版图设计时,需要注意以下问题: (1)由于功率放大器饱和工作时,流经放大级的电流比较大,因此必须要考虑源极、漏极金属走线的宽度。
在TSMC 0.18rf工艺下,M1-M5的电流(DC)能力为1 mA/?滋m(110 ℃)。
因此在设计第二级时,需要采用多个MOS管并联的方式以增加源极、漏极金属宽度,防止因电流过大而造成金属熔断。
(2)在功率放大器中,MOS管源极键合线(bond-wire)严重影响了输出功率的大小,同时由于产生的源极反馈会对功率放大器的稳定性产生影响,所以必须尽量减小键合线电感量。
通过增加PAD数量,使多根键合线并联,这样可以显著地减小寄生电感量。
排版时应尽量让地线和电源线交叉平行,相同信号线垂直走向,这样有利于减小走线之间的互感。
(3)由于功率放大器的干扰信号能够通过衬底严重影响LNA等其他电路模块,因此在版图设计时一定要添加足够的保护环,以
减小对其他模块的影响[6,7]。
并且,由于功率放大器是最大热源,在系统版图设计时,需要注意功放模块与其他差分对模块之间的距离,以减小由于受热不均而造成的失配。
(4)功率放大器第一级和第二级的接地点要有足够的距离,这样能够减少两级之间的串扰,从而进一步减小键合线的影响[8]。
4 前后仿真结果对比与讨论对版图提取寄生参数的后仿真结果。
在915 MHz处,输出饱和功率为19 dBm,输入1 dB压缩点-13.6 dBm,输出1 dB 压缩点17.6 dBm,功率增益为31 dB,1 dB压缩点功率附加效率PAE为38%;输入驻波比S11=-19 dB,输出端由于采用最大功率匹配,所以S22=-5.7 dB。
同时K因子大于2,Bf因子也大于0,显示了良好的稳定性。
造成后仿真结果变差的原因主要是走线寄生电阻、电感等改变了管子的偏置状态,导致电流减小,放大能力减弱,同时也造成了输出匹配点的变化。
为了解决偏置电流减小的问题,可以增加偏置电流的控制电路,以调节偏置电流大小,补偿由于寄生参数造成的损失。
在集成系统中,可以通过数字部分控制多个电流源开关,从而达到控制偏置电流的目的。
由于片内电感Q值太低,所以将匹配网络放在芯片外部,同时方便调谐。
在系统应用中,由于采用单端结构,所以在功率放大器前需要有一个差分转单端D2S(Differential to Single)的模块将混频器(Mixer)送过来的差分信号转换成单端信号。
但D2S的线性度比较差,会影响整体的线性度,同时由于单端放大器对偶次谐波没有抑制作用,故有干扰信号通过衬底影响其他模块。
因此,在实际应用中,采用差分放大器、内部集成巴伦(Balun)或者使用外部巴伦是较为常见的使用形式。
5 流片测试结果投片并绑定后,用Agilent E5071C网络分析仪和N9010A频谱分析仪进行测试。
调整匹配网络后的测试结果。
从测试结果看出,输入输出端口在915 MHz附近达到了很好的匹配效果,其中S11=-18 dB,S22=-20 dB,。
同时测得功率放大器在915 MHz有饱和输出功率17.8 dBm,小信号功率增益为28.7 dB。
输入1 dB压缩点为-12.4 dBm,输出1dB压缩点为15.4 dBm,。
在功率放大器饱和输出时,电流源提供的直流电流为82 mA,求得饱和时的功率附加效率为40%。
功率增益、PAE等与后仿真有较大恶化,原因在于绑定线、寄生电阻等会消耗电压余度。
PCB版图绘制不佳,也会造成功率放大器性能恶化。