第29卷第3期半导体学报v01.29No.32008年3月JOURNALOFsEMICONDUCToRSMar.,2008
ANovelImpedanceMatchingApproachforPassive
UHFRFIDTransponderICs’
●
ChenLiying,Ma0Luhong+,WuShunhua,andZhengXuan
(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianfinUniversity,Tianfin300072,China)
Abstract:ThispaperpresentsanovelimpedancematchingapproachforpassiveUHFRFIDtransponderICs,whicharecompatiblewiththeISO/IEC18000-6Bstandardandoperateinthe915MHzISMband.ThepassiveUHFRFIDtranspon.derwithcompleximpedancesispoweredbyreceivedRFenergy.TheapproachusestheparasiticinductanceoftheantennatoimplementASKmodulationbyadjustingthecapacitivereactanceofthematchingnetwork,whichchangeswiththebackscattercircuit.Theimpedancematchingachievesmaximumpowertransferbetweenthereader,antenna,andtran.sponder.ThetransponderIC,whoseoperatingdistanceismorethan4mwiththeimpedancematchingapproach。isfabrica.tedusingaChartered0。35“mtwo-polyfour.metalCMOSprocessthatsupportsSchottkydiodesandEEPRoM.
Keywords:impedance
PACC:8630;7280C;
CLCnumber:TN4021Introductionmatching;RFID;passivetransponder;backscattercircuit
7230
Documentcode:AArticleID:0253.4177(2008)03.0516.05
Radiofrequencyidentification(RFID)isarap.idlydevelopingautomaticidentificationtechnologythatisusedtoidentifyobjectswithradiowavesc¨.It
isreplacingtraditionalbarcodetechnologyanden-codesdataintoamonolithicmicrochipintagsforidentifying,gathering,andprocessingproductinfor—mationortrackingapplication[1’引.RFIDhas
gainedattentionbecauseitcanrealizeubiquitouscomputingtechnology[31.’
RFIDsystemusesLF(125kHz,135kHz),HF(13.56MHz),UHF(860~960MHz)ormicrowave(2.45GHz).TheUHFbandisusedworldwideforitslongreadrangeandlowmanufacturingcostinthedistributionfield.InNorthandSouthAmerica,thecenterfrequencyis915MHz,whereasEurope,MiddleEast,andRussianFederationmainlyuse866MHz.A—siaandAustraliausefrequencieswithinthebandfrom866to954MHz.Koreamadeanallocationfrom908.5to914MHz(bandwidth5.5MHz)L1’41.
AtypicalpassiveRFIDtransponderconsistsofanantennaandanintegratedcircuit(chip).Thechipisusuallyplacedattheterminalsofthetagantenna,andboththechipandantennahavecomplexinputimpedances.Thechipcontainstheanalogfrontend(AFE)andthecontrol109ic.TheRFIDreadertrans.
mitsanRFsignal,whichisreceivedby
anantenna
oftheRFIDtransponder.Thevoltagereceivedontheantennaterminalspowersupthechip,whichsendstheinformationbackbyvaryingitsinputimpedanceandthusmodulatingthebackscatteredsignalE5].Proper
impedancematchingnetworkbetweentheantennaandthechipisimportantinRFIDtagsbecauseitde.terminesthecharacteristicsoftheRFIDtags。suchasthetagreadingrange[6].High—efficiency.10w—costim?pedancematchingbetweentheantennaandthechipisthemostimportantgoalinthedesignoftheRFIDtransponder.
Threemethodsofimpedancematching,which
aretransformermatching,L—typematching,andshuntinductortuning,canbeusedtoimplementhighRFto
DCconversionefficiency.Transformermatchingis
costprohibitivefortheretailRFIDtagtargetedforonlyafewcentsEl,7].TheL.typematchingusesase.riesinductortoresonateouttheinputcapacitanceofthetransponderchip.Thistypeofmatchcanprovidevoltageboostingiftheantennaimpedanceislowandtherectifierimpedanceishigh.TheshuntinductancetuningmethodrequiresastrapinductorL7|.ForRFIDapplications?integratedinductanceintheCMOSprocessisveryexpensiveandhasloweraccuracy.ThispaperpresentsanovelimpedancematchingapproachforpassiveUHFRFIDtransponderICswithlowerpowerandlongerrange.Thisapproachusestheparasiticinductanceoftheantennatoimple.mentASKmodulationbyadjustingthecapacitivere-actanceofthematchingnetwork,whichchangeswiththebackscattercircuit.Also。theimpedancematching
*ProjectmpportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(No.2006AA04A109)
tCorrespondingauthor.Email;tju_rfid@163.corn
Received18April2007,revisedmanuscriptreceived16July2007@2008ChineseInstituteofElectronics 万方数据
第3期ChenLiying
et
a1.:ANovelImpedance
MatchingApproachforPassiveUHFRFIDTransponderICs
517
Transponder
Fig.1
RFIDtransponderequivalentcircuit
achievesmaximumpowertransferbetweentheread.er,antenna,andtransponder.The
technology
is
a
0.35“mtwo.poly
four.metal(2P4M)CMOS
process
withEEPROMand
Schottkydiodes
supported.The
operatingdistanceofthetransponderICwiththeim.pedancematchingapproachismorethan4m.
2Architecture
2.1
Impedancematching
Anequivalentlumpedcircuitof
an
RFIDtran—
sponderisshown
in
Fig.1阳1.Z。=R。+jX。is
the
complexchipimpedance,whichdoes
not
containthe
parasiticcapacitanceandinductanceofthebondingpadsand
wires
because
they
are
lessthanseveral
femtofaradsand
one
nanohenry,respectively,andZ。
2
R
a+jX。is
thecomplexantennaimpedance.Thevoltage
source
represents
an
opencircuitRFvoltage
developed
on
theterminalsofthereceivingantenna.
BothZ。andZ。arefrequencydependent.Inaddition,chip
impedanceZ。may
vary
withthe
power
con-
sumptionofthechip.Theantennaisusuallymatched
to
thechipattheminimumthresholdpowerlevel
nee。
essaryforthechiptorespondE51.Furthermore。theim.pendenceoftheantennaandchipmustbeconjugate
matchedinorderto
achievemaximumpower
trans.
fer.
If
an
antenna
hasminimumscattering,theampli.
tudeofthebackscatteredpoweris:
氏2器A
D
4'rr一
4R:
R。+jX。||R。J
2
(1)
wherePEIRPistheeffectiveisotropicradiatedpower,R
a
istheantennaresistance,R。isthechipresistance,and
A。is
the
effective
radar.cross.section(RCS)
area。Thereflectioncoefficientofthetransponderisgivenby
s=套苦
Thepowerreflectioncoefficientiszc—z:Z。+Z。
(2)
givenby
2
(3)
r一一IJI
I圪
IIl
L一一Antenna
Matchingnetwork
Chip
lIl
互:
III
Fig.2
RFIDtransponderequivalentcircuitwith
L-type
mate-
hingnetwork
Inthe
case
ofASKmodulation,theinputimpedance
ofthetransponderisreal(X》R)andismodulated
bythedatasignalbetweentwovalues(109ic0and1).
When
theimpedanceoftheantennaandchipis
con.jugatematched,the
reflectioncoefficientwillbe
zero
andthereceivedenergywillachievemaximumpower
transfer.If
the
impedanceof
the
transponder
is
changed,apartoftheenergytransmittedbytheread—
er
willbereflected,whichisthemechanismofASK
modulation.2.2
Matchingnetwork
circuit
Formaximumpower
transferandhencebetter
performanceofthetransponder,theimpedanceofthe
antenna
shouldbematchedwiththeimpedanceofthe
chip,and
an
impedancematchingnetworkis
usually
necessarytoobtain
an
appropriatematch.Inpractical
applications,areasonableimpedancematchmust
be
achieved.TheimpedancematchingnetworkisshowninFig.2.Since
integratedinductanceinthe
CMOS
processisexpensiveandhasloweraccuracy,inorder
to
reducethechipsizeandfacilitatetheintegration,
theequivalentinductanceL
m
oftheantennaisputin—
to
theL?typematchingnetwork.
Theequivalentinputimpedanceoftheantennais
designedtobeapproximately73+247j.ASKmodula-
tiondependson
differentinputimpedances,which
re—
present
different
reflection
coefficients.Assuming
thattheinputimpedances
are
Z1andZ2,respective—
ly?theinputpowerisgivenby[8]
PRF。in,l,2=÷Re(v盎fin)
=丢Re[瓜毫蛩稳‰]
=丧×1一I
Z1'2-z=t
1)
㈤
availableratioof
power
power
rcflectHl
where
Pinisthepeakvoltageofthetransponder,iinis
thepeakcurrentoftheantennaandchip,andyois
thepeakvoltageofthevoltage
source
Va,whenthe
antenna
isopen.IftheequivalentinputimpedanceZin
『,I,●l
一
=
乏一
一×
1—2
II
万方数据
518半导体学报第29卷
0
Fig.3ImpedanceSmithchartofconjugatematchbetweentheantennaandchip
ofthematchingnetworkis73—247j,theimpendenceoftheantennaandchipwillbeconjugatematchedtoachievethemaximumpowertransfer.Ifthereflectioncoefficientofthetransponderis30%,thevalueofZinwillbe51+32j.
3Circuitdesign
Theinputimpedanceofthechipwithoutthe
matchingnetworkcircuitisapproximately200—400jwiththeminimuminputpower.Therefore。ifthein.ductanceL。andcapacitanceCmofthematchingnet?workcircuitare44nHand280fF,theimpendenceoftheantennaandchipwillbeconjugatematchedtoa—chievethemaximumpowertransferwiththerectifiercircuit,whichusesthestructureofaDicksonchargepumpEg,103.TheimpedanceSmithchartoftheconju.gate
matchbetweentheantennaandchipisshowninFig。3,whereP。砒1is200—400j,Point2is73—247j,andP。int3iS73Q.P咖3iSmatchedtotheimpedanceofthe
O
Fig.4ImpedanceSmithchartof30%reflectioncoefficientbetweentheantennaandchip
antenna.Iftheinductanceandcapacitanceofthematchingnetworkcircuitare44nHand400fF。thevalueofZi。showninFig.4willbe51+32jwithare.flectioncoefficientof30%,whereP础1iS200—400j,Pointzis51—220j,andP。int3is51+32j.Consequently,ASKmodulationisimplementedbychangingthei.maginarypartofthechipbetween280and400fF.Inotherwords,thevalueofZinismodulatedbyadjustingthecapacitivereactanceofthebackscattercircuit.BychangingthecapacitanceoftheMOSvarac.tor,thebi.stateamplitudemodulatedbackscatterisimplemented.WiththestandardCMOSprocess。theMOSvaractorisfabricatedbythevoltagecontrolledcapacitorbetweentheMOSgateandsubstrate,asshowninFig.5[11’1引.Withmodulation,highpoweref.ficiencyforDCsupplyvoltagegenerationandhighmodulatedbackscatterpowerforthebackwardlinkareachievedsimultaneously。TheschematicofthebackscattermodulationcircuitisshowninFig.6[93.
Fig。5CharacteristicsoftheMOSvaractor
Biasvoltage/V
万方数据
第3期
ChenLiying
et
a1.:ANovelImpedanceMatchingApproachforPassiveUHFRFIDTransponderICs
519
Fig.6
Schematicofthebackscattercircuit
4
Experimentalresults
矿
Anovelimpedancematchingapproachfor
a
pas-
sireUHFRFIDtransponderICispresented.Thisap.proach
uses
theparasiticinductanceoftheantennato
implementASKmodulationbyadjustingthecapaci-
tive
reactance
of
the
matching
network,which
is
changed
withthebackscattercircuit.Furthermore,
themaximumpowertransferisachievedbetweenthereader,antenna,andtransponder.Thetechnologyis
a
Chartered0.35umtwo.polyfour.metalCMOSprocesswithEEPROMandSchottkydiodessupported.
AdiephotographofthechipisshowninFig.7.
Thematchingnetworkandbackscattercircuits
are
la.
beled.Innormalapplications,onlytwobondingwires
are
requiredtoconnecttheantennatothetranspon—
der.TheotherbondingPADSinFig.7
are
usedforthe
testingpurposes.ThediephotographonlyshowstheAFEofthetransponderand
a
smallpartofthelogic
controlcircuitry.Therest,which
isnotshownhere,
containstheotherlogiccircuitsandEEPROM.Figure8showsthetestingresultsofthetransponderwiththe
impedancematchingapproach.The
demodulated
waveformisshown
with
an
Agilent54642Aoscillo—
scopebytheUHFRFIDreaderofModelTHM6BCl.
915(TongfangMicroelectronicsCompany,Beijing),
which
is
compatible
with
the
ISo/IEC
18000.6B
standard.With4W
EIRPat
915MHzand0dB
tran.
sponderantennagain,theoperatingdistanceofthe
transponderismorethan4m.
。
Fig.7
DiephotomicrographoftheAFE
Fig.8
(a)Demodulated
waveform
of
the
transponder;(b)
Backscatteredsignalwaveformofthetransponder
5Conclusion
Thispaperpresents
a
novelimpedancematching
approachforpassiveUHFRFIDtransponders,which
are
compatiblewiththeISO/IEC18000.6Bstandard
andoperate
at
the915MHzIS.Mbandwith
lower
powerandlongerrange.Thisapproachuses
thepara-
siticinductanceoftheantennato
implementASK
modulationbyadjustingthecapacitivereactanceof
the
matching
network,which
is
changed
with
the
backscatter
circuit.Simultaneously,maximumpower
transferisachievedbetweenthereader,antenna,andtransponderbecauseoftheconjugatematch
betweentheantennaand
chip.Theoretical
analysis
used
for
thedesignoptimizationhasbeenproposed.Thewholechiphas
beenfabricated
with
a
Chartered0.35um
two—polyfour.metalCMOSprocesswithSchottkydi—odesandEEPROMsupported.Theoperatingdistanceofthetransponderwiththeimpedancematchingap-proachis
more
than4m
with
4W(36dBm)EIRP
base.stationtransmit
power
at
915MHz,andthe
measurementresultsmeetthespecificationofthepro.posedsystem。
AcknowledgementsTheauthors
wouldliketo
thankLi
Yanmingand
Wang
Ruifor
their
help
inthe
processofdesignand
measurements.
万
方数据
520半导体学报第29卷
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一种用于无源UHFRFID应答器的阻抗匹配方法
陈力颖毛陆虹’吴顺华郑轩
(天津大学电子信息工程学院,天津300072)
摘要:提出了一种可以在915MHzISM频带下工作的、符合ISo/IEC18000—6B标准的无源UHFRFID应答器的阻抗匹配方法.该UHFRFID应答器具有复数阻抗并从射频电磁场接收能量.该阻抗匹配方法利用天线的寄生电感,通过调整反向散射电路的电容来改变匹配网络的容抗,从而实现ASK调制.而且,该阻抗匹配方法在阅读器、天线与应答器之间达到了最大的功率传输.采用该阻抗匹配方法的应答器芯片通过支持肖特基二极管和EEPROM的Chartered0.35弘m2P4MCMOS工艺进行流片,经测试其工作距离约为4m.
关键词:阻抗匹配;RFID;无源应答器;反向散射电路
PACC:8630;7280C;7230
中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号:0253.4177(2008)03.0516.05
*国家高技术研究发展计划资助项目(批准号:2006AA04A109)
,通信作者.Email:tju_rfid@163.com
2007-04—18收到,2007.07-16定稿④2008中国电子学会 万方数据
一种用于无源UHF RFID应答器的阻抗匹配方法
作者:陈力颖, 毛陆虹, 吴顺华, 郑轩, Chen Liying, Mao Luhong, Wu Shunhua, Zheng Xuan
作者单位:天津大学电子信息工程学院,天津,300072
刊名:
半导体学报
英文刊名:CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS
年,卷(期):2008,29(3)
被引用次数:0次
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本文通过理论分析、建模仿真等研究方法,做了下面的工作:
1.全面而系统地阅读了关于天线和电磁场理论的书籍理论,并与射频识别(RFID)技术结合,初步完成了分析天线和辐射场所需的理论基础研究。
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4.本文还详细介绍了近场标签天线的特点,提出了远近场天线同时满足远场和近场需要的解决方案。并且相应的设计一款UHF远近场蝶形偶极子天线,这款天线的电感环路耦合部分主要是影响天线电抗,对其调整能使天线匹配阻抗从15-j*100到15-j*300之间变化。天线带宽约为50MHz,平均增益
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近十几年来,无线通信技术得到了广泛应用,极大地推动了社会的发展。射频识别(RFID)技术,是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术,被认为是21世纪最有前途的IT技术之一。在RFID系统中,射频标签和读卡器中都包含有天线,天线是保证RFID系统正常工作非常重要的一部分。本论文以软件仿真为手段,全面研究了RFID系统天线领域的关键技术,其主要内容为:
1.偶极子天线是RFID标签天线中应用最广泛的一类天线,本文对半波偶极子天线及弯折偶极子天线进行仿真,并比较了弯折偶极子天线的形状参数对匹配阻抗的影响。结果表明,弯折偶极子天线有很好的尺寸缩减特性,且易调节达到阻抗匹配。
2.平面倒F天线理论是天线多频化和小型化设计的有力工具。本文在查阅国内外相关文献资料的基础上,仿真了一种新型两层介质开U型槽和L型槽相结合的多频RFID天线。将平面倒F天线用到RFID标签天线设计中,达到天线结构尺寸缩减、增大带宽、适合金属物体表面的目的。
3.仿真了一种小型微带圆极化天线,中心谐振频率为2.45GHz。设计中以文献为依据,采用三层复合介质,仿真结果显示,天线的性能良好,与理论期望吻合,达到了实际应用的标准。
10.期刊论文靳钊.庄奕琪.袁冰.杜永乾.刘伟峰.李小明.JIN Zhao.ZHUANG Yiqi.YUAN Bing.DU Yongqian.LIU
Weifeng.LI Xiaoming无源UHF RFID标签的低成本阻抗匹配网络设计-固体电子学研究与进展2009,29(2)
提出了一种符合ISO/IEC 18000-6C标准的无源RFID(射频识别)标签的低成本阻抗匹配网络.该设计基于复功率波反射系数的概念,修正芯片输入阻抗,在片内添加阻抗匹配电路.通过变化芯片阻抗和天线共轭匹配及失配间切换,有效完成信号的调制反射.提出的电路结构简单,易于实现,在读写器、标签天线和芯片之间实现了功率传输的最大化,提高了芯片输入电压以及读写器对标签反射信号的识别率.采用该阻抗匹配网络的芯片基于chartered 0.35
μm CMOS工艺实现.测试结果表明,在923 MHz频带下,倍压电路输出可达1.47 V,标签满足系统设计要求.
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下载时间:2011年1月13日