一种整流和负载调制组合的射频前端电路和无源射频标签的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于射频识别技术领域，具体是指一种采用整流和负载调制组合的无源射 频标签前端电路，以及包含该前端电路的无源射频标签。
【背景技术】
[0002] 无源射频识别（Radio Frequency Identification，RFID)标签本身不带电池，其 依靠读卡器发送的电磁能量工作。由于它结构简单、经济实用，因而其在物流管理、资产追 踪以及移动医疗领域获得了广泛的应用。
[0003] 无源RFID标签的射频前端电路有两个输入端，分别与外部电感线圈的两端相连， 是接收由读卡器所发出的下行（downlink)信号与射频场能量的接收端和标签向外发射反 馈的上行（uplink)数据信号的发射端所共用的端口。首先，无源RFID标签工作时会从周 围环境中吸收读卡器发送的电磁能量。无源RFID标签在吸收能量之后，将一部分能量整流 为直流电源，以供无源RFID标签负载电路工作。其次，在从标签到读卡器设备发送数据信 息的上行通讯过程中，无源射频标签采取负载调制（load modulation)的通讯方式，即通过 所要发射出的数据信息来控制并改变射频前端的端口阻抗，该端口阻抗的变化会导致无源 射频标签的电感线圈上流过的电流发生变化，在电感线圈两端的电压波形呈现出包络线依 据所要发射的数据变化而变化的调幅调制波。其中，调幅调制波的载波频率与读卡器主动 发出的射频场载波的频率一致，调幅调制波的包络线部分与端口阻抗变化有关，也即与所 要发射出的数据有关。这样的调幅波形导致电感线圈所引起的磁场发生变化。该磁场的 变化作为反馈数据被读卡器的电感线圈通过磁场耦合的作用而接收，即完成数据上行通讯 的任务。
[0004] 无源射频标签的设计挑战是多方面的。其挑战首先在于用低功耗的电路技术实现 复杂的数据传输功能，从而达到无源设计的要求。其次，挑战也在于用低成本设计技术，即 尽可能小的芯片面积，达到较高的商业利润和满足小尺寸标签封装的物理要求。比如，在 无源标签设计中不可避免地使用到储能电容。储能电容的大小决定电路中可用电能的多 少，也是直接决定电路性能的关键参数。在现代的深亚微米集成制造工艺中，电容的大小 毫无例外的与其所占用的面积成正比关系：所用芯片面积越大，储能电容值越大，电路性能 越好。除了上述两者之外，更重要的，无源射频标签的关键性能指标为通讯灵敏度，即完成 可靠通讯和各种读写操作的可用距离范围；灵敏度越高，距离越远，射频标签产品的性能越 好。
[0005] 应对上述第一个挑战的设计技术是全方位的低功耗系统设计，包括系统架构，集 成制造工艺和所用集成器件的选取，电路模块的精细设计，以及物理版图的最优化实现等 等。这是一个广泛而深远的课题，不在本发明专利所要讨论的范围之内。
[0006] 应对上述第二个设计挑战，现有技术对大量的储能电容的依赖要尽可能的降低。 储能电容往往挂在整流输出之后所接到的低压差稳压电源电路的输出端上。电路中各种模 式转换和数字命令的解调和调制过程均会在低压差稳压电源的输出节点上产生下拉幅度 不同的瞬间电压下拉波动，即电源电压的瞬间跳变。而低功耗的低压差稳压电源对此类瞬 态跳变通常不能通过其电路内部的纠错反馈环路而充分抑制这些下拉波动。唯一可选的方 法就是加大连接在该节点上的储能电容。靠电容存储的电荷输送来缓解下拉波动的问题； 电容越大，抑制波动的效果越好。
[0007] 应对上述第三个设计挑战，即尽可能提高通讯灵敏度，也是和片上储能电容的大 小相关的。储能电容越大，在同样的距离条件下的能量收集也会越多，也即灵敏度越高。 除去片上储能电容的因素之外，与灵敏度，即通讯距离，直接相关的设计技术在于前面所述 负载调制的实现。负载调制改变了线圈两端的等效负载阻抗，以改变负载上通过的电流大 小，继而改变了交流电流所产生的磁场。改变的磁场耦合到读卡器的线圈上，即完成数据传 输过程。但是，所有读卡器的解调能力都是有限的，有限的解调能力决定了上述磁场改变量 必须满足一个最小的数值，才能在读卡器端被正确无误地解析出来。在耦合条件不变的情 况下，即通讯距离一定的条件下，磁场的改变量是由标签线圈上的调制深度决定的。所以射 频标签的发射端的调制深度决定了读卡器是否可以无误的解调出数据信号来。调制深度越 大，读卡器解调越容易，通讯距离越远，灵敏度也越高。业界通常采取的调制深度的定义如 图1。作为举例，图1中所示调制条幅波的各个参数的取值如下表所示。
【主权项】
1. 一种整流和负载调制组合的射频前端电路，包括， 整流电路，所述整流电路输入端连接至第一天线端与第二天线端，输出端连接至负载 电路输入端及储能电容的正极端，所述储能电容的负极端接地，其特征在于： 所述整流电路输出端与地之间连接有第一调制单元，所述第一调制单元用于在射频标 签处于强场环境时，通过所要传输的数据作为逻辑控制信号将第二阈值单元短路或者不短 路来改变所述整流电路输出端的电压，使得射频标签具有足够的调制深度，实现读卡器接 收端容易地解调射频标签发送的上行数据信息的目的； 所述第一天线端与第二天线端之间连接有第二调制单元，所述第二调制单元用于在射 频标签处于弱场环境时，通过所要传输的数据作为逻辑控制信号将下拉电阻接入或者断开 来改变射频标签发射端电感线圈两端的电压，使得射频标签具有足够的调制深度，实现读 卡器接收端容易地解调射频标签发送的上行数据信息的目的； 所述整流电路输出端与负载电路输入端及储能电容的正极端之间连接有单向导通单 元，所述单向导通单元的输入端连接至整流电路输出端，单向导通单元的输出端连接至负 载电路输入端及储能电容的正极端，单向导通单元的第一控制端与第二控制端分别连接至 所述单向导通单元的输出端，用于在整流电路与负载电路和储能电容之间形成单