UHF-RFID读写器收发前端电路关键技术研究

UHFRFID读写器收发前端电路关键技术研究射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术通过无线方式实现目标对象的非接触自动识别,是物联网四大基础支撑技术之一。无源超高频(Ultra-HighFrequency,UHF)RFID系统凭借其同时多目标远距离快速识别及标签成本低的突出优势,已广泛应用于交通、仓储物流、供应链、产品溯源等智能管理信息系统之中。近年来,UHFRFID应用领域不断扩大,市场对工作距离大于10米的远距离UHFRFID系统需求迫切,因此对UHFRFID读写器的接收灵敏度提出更高要求。另一方面,为促进UHFRFID系统的大规模应用,需进一步降低读写器成本、功耗和尺寸。射频收发前端作为读写器的核心功能电路,其性能高低基本上决定了读写器整机性能。基于分立元件的读写器在取得高灵敏度的同时,存在功耗高和体积大等不足;目前学术界中读写器技术研究集中在低功耗、全集成的读写器芯片实现方法,主要面向近距离UHFRFID系统应用。因此,开展小型化高性能读写器收发前端电路关键技术研究,研制低成本低功耗高性能读写器收发前端模块及芯片,具有重要科学意义和工程应用价值。本论文针对UHFRFID读写器中存在强射频自干扰信号限制其接收灵敏度这一关键问题,在系统分析射频自干扰信号特性及其效应的基础上,分别从高性能UHFRFID读写器射频前端电路、射频收发链路隔离结构及UHFRFID读写器射频前端芯片三个方面展开了深入研究。本论文主要研究工作及贡献如下:1.针对读写器射频前端电路小型化高性能应用需求,提出了基于定向耦合器的双调谐小尺寸收发隔离结构,其显著地提升了对射频自干扰信号的抑制效果;提出了一种低噪声接收射频前端架构,其能利用距离相关效应降低自干扰载波信号相位噪声对输出信号信噪比的恶化影响。在前述关键技术研究基础上,设计研制出小型化多协议UHFRFID读写器核心模块,实验测试得到读写器模块中射频收发隔离度达到40~65dB,接收机在50dB收发隔离度和40kbps比特率下的灵敏度达到-86dBm,其具有高性能小尺寸优点,适合中、远距离UHFRFID系统应用。2.在理论分析UHFRFID读写器中射频自干扰信号抵消电路性能对射频自干扰信号抑制效能及其对接收链路噪声系数影响的基础上,提出了基于正交馈电式圆极化天线、平衡式环形器、射频自干扰信号抵消电路级联的射频收发链路隔离结构,其具有射频收发通道间隔离度高、插入损耗低等优点;设计研制出原型样机,测试结果表明该射频收发链路隔离结构在920~925MHz频带内对射频自干扰信号的抑制度达到80dB,射频收、发链路的传输损耗分别小于1.92dB和1.59dB。3.针对硅基CMOS工艺的UHFRFID读写器射频前端电路芯片中存在高闪烁噪声及其效应问题,提出了一种高性能低噪声硅基CMOS工艺的射频收发前端电路芯片方案;基于台积电0.18μmRFCMOS工艺,设计了一种基于正交数模转换器的低噪声无源射频自干扰信号抵消电路,仿真结果表明其可在900~933MHz频带内实现大于40dB的载波抑制度;提出了一种噪声和失真抵消式低噪声跨导放大器,其利用NMOS和PMOS晶体管二阶非线性系数的互补性、AB类放大器在特定信号输入功率范围内的增益扩展特性提高了放大器的线性度,仿真结果显示其输入三阶交调截点和输入1dB压缩点分别达到18.14dBm和8.1dBm;提出了一种互补源极跟随器反馈型低噪声跨导放大器,其利用CMOS互补结构的二阶非线性失真抵消特性和导数叠加技术提升了电路的线性度性能,仿真结果表明其输入三阶交调截点和输入1dB压缩点分别达到20.8dBm和4.14dBm;设计了一款电流模式无源混频器和一款跨阻放大器,并结合前述设计的互补源极跟随器反馈型低噪声跨导放大器实现了完整无电感型电流模式接收射频前端。仿真结果表明,当该接收射频前端与无源射频自干扰信号抵消电路同时工作时,其在0dBm自干扰信号功率下实现了16.3dB的双边带噪声系数和25.22dB的电压转换增益,可显著提升读写器在有强射频自干扰信号下的接收灵敏度。4.针对射频自干扰载波信号相位噪声恶化读写器灵敏度的问题,提出了一种低相位噪声低压跨导增强型Colpitts压控振荡器,其通过去掉传统Colpitts结构中的尾电流源并选择小的抽头电容分压比以获得超过电源电压的单端振荡摆幅,从而降低振荡器的1f~2区域相位噪声;该振荡器的无尾电流源结构及其跨导增强晶体管的开关工作模式显著抑制了晶体管低频闪烁噪声的上变频,有效降低了振荡器的1f~3区域相位噪声。该压控振荡器采用台积电0.18μmRFCMOS工艺设计,仿真结果表明其在0.6V电源电压下的单端振荡信号峰峰值超过1.66V,频率调谐范围为3.28~3.89GHz;当振荡频率为3.76GHz时,其在100kHz和1MHz频偏处的相位噪声分别达到-104.6dBc/Hz和-127.6dBc/Hz,1f~3拐点频率仅为60kHz。该压控振荡器具有低相位噪声优势,可应用到对LO信号相位噪声有严格要求的高性能UHFRFID读写器和其他无线收发机芯片中。本论文研究成果为高灵敏度UHFRFID读写器芯片和整机的实现提供了可行的解决方案,满足远距离无源UHFRFID系统的广泛应用需求,有助于推动UHFRFID和物联网技术及应用的发展。