CN102184442A - 射频识别系统电路仿真模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对射频识别标签芯片功能和性能进行评估的射频识别系统电路仿真模型，它包括模拟实际阅读器等效电路，产生100%ASK调制信号的阅读器模型；模拟实际包含标签芯片在内的整张标签卡等效电路的标签卡模型；模拟实际测试副载波负载调制边带深度的PCB板线圈、示波器和频谱分析仪等效电路的感应线圈模型；模拟实际场强测试仪等效电路的场强仪模型。阅读器模型包括100%ASK调制信号产生电路、源阻抗、阅读器天线匹配网络、阅读器线圈天线和阅读器天线阻抗；标签卡模型包括卡上天线电感、寄生电阻、卡片寄生电容、模拟前端电路和数字等效负载；感应线圈模型包括两个感应线圈、线圈电阻和频谱分析仪探头模型；场强仪模型包括线圈电感及其寄生电容和电阻。

Description

射频识别系统电路仿真模型
技术领域
本发明涉及一种电路仿真模型，具体来说，涉及一种对射频识别标签芯片的功能和性能进行快速、有效评估的射频识别系统电路仿真模型。
背景技术
射频识别技术是一种非接触自动识别技术，以其卓越的优点，正贯穿于生产、生活、贸易和流通等环节，特别是现今服务业的发展，为射频识别技术提供了广阔的发展平台，射频识别系统由标签与阅读器组成，低成本、低功耗和高性能标签芯片的研制，正成为推动射频识别技术普及的瓶颈之一。
模拟前端（AFE）是射频识别标签芯片与外界通信的空中接口，它主要完成能量的获取和数据的收发功能。稳定的电源产生电路和高性能的负载调制电路是整个模拟前端设计的难点，同时也是整个标签芯片设计的关键，对于一般的设计过程，标签芯片模拟前端的功能完整性和性能评估主要通过多项目晶圆（MPW）的样片经频谱分析仪、示波器、场强仪和标准阅读器实测，并经过原理图、版图的几次反复修改来完成。这造成了标签芯片研制投入大、风险高和设计周期长等缺点，从而加大了芯片设计的门槛，不利于射频识别技术的普及和发展。
发明内容
针对以上的不足，本发明提供了一种对射频识别标签芯片的功能和性能进行快速、有效评估的射频识别系统电路仿真模型，它包括：用于模拟实际阅读器等效电路，产生100%ASK调制信号的阅读器模型；用于模拟实际包含标签芯片在内的整张标签卡等效电路的标签卡模型；用于模拟实际测试副载波负载调制边带深度的PCB板线圈、示波器和频谱分析仪等效电路的感应线圈模型；用于模拟实际场强测试仪等效电路的场强仪模型。
所述阅读器模型包括100%ASK调制信号产生电路、源阻抗Rin、阅读器天线匹配网络、阅读器线圈天线L_reader和阅读器天线阻抗R_reader。
所述标签卡模型包括卡上天线电感L_tag、寄生电阻R_tag1/ R_tag2、卡片寄生电容C_par、模拟前端电路和数字等效负载Rlaod。
所述感应线圈模型包括两个感应线圈L_sen1/ L_sen2、线圈电阻R1和频谱分析仪探头模型probe。
所述场强仪模型包括线圈电感L_meter及其寄生电容C_meter和电阻R_meter。
本发明的射频识别系统电路仿真模型为射频识别标签芯片模拟前端的设计提供测试系统模拟验证平台，在芯片的研发阶段就能够对其功能和性能进行快速、有效的评估，从而大大缩减芯片的多项目晶圆成本、大大缩短芯片的研制周期、大大降低芯片的投片风险，同时也显著降低其设计门槛。
附图说明
图1为本发明射频识别系统电路仿真模型的功能框架图；
图2为本发明射频识别系统电路仿真模型的电路原理图；
图3 为本发明线圈天线电压值测试图；
图4为本发明线圈天线电压值仿真图；
图5为本发明仿真误差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步阐述。
如图1所示，本发明射频识别系统电路仿真模型在分析ISO/IEC 14443-2空中接口协议和ISO/IEC 10373-6测试协议的基础上，结合实测数据，并对实测仪器进行等效电路，提出了包含阅读器、标签卡天线在内的整个射频识别系统电路仿真模型，用该模型可以验证所设计的模拟前端是否能够正常工作。它包括用于模拟实际阅读器等效电路，产生100%ASK调制信号的阅读器模型；用于模拟实际包含标签芯片在内的整张标签卡等效电路的标签卡模型；用于模拟实际测试副载波负载调制边带深度的PCB板线圈、示波器和频谱分析仪等效电路的感应线圈模型；用于模拟实际场强测试仪等效电路的场强仪模型。
如图2所示，阅读器模型（reader）包括100%ASK调制信号产生电路、源阻抗Rin、阅读器天线匹配网络、阅读器线圈天线L_reader和阅读器天线阻抗R_reader；标签卡模型（tag）包括卡上天线电感L_tag、寄生电阻R_tag1/ R_tag2、卡片寄生电容C_par、模拟前端电路和数字等效负载Rlaod；感应线圈模型（sense）包括两个感应线圈L_sen1/ L_sen2、线圈电阻R1和频谱分析仪探头模型probe；场强仪模型（meter）包括线圈电感L_meter及其寄生电容C_meter和电阻R_meter。
其中，阅读器既是标签芯片的能量提供者，也是数据通信的发起者，阅读器模型（reader）包括100%ASK调制信号产生电路、源阻抗Rin、阅读器天线匹配网络、阅读器线圈天线L_reader和阅读器天线阻抗R_reader。为了得到最大的发送场强，必需增大阅读器天线的Q值；为了提高发送速率，则又必需减小Q值以增加带宽，故阅读器天线Q值（由L_reader与R_reader及工作频率决定）根据实际情况选取，一般在10-30内，匹配网络使阅读器天线阻抗与50Ω标准源阻抗匹配，使得阅读器天线可以从源端口获得最大的可用功率。
标签卡模型（tag）包括卡上天线电感L_tag、寄生电阻R_tag1/ R_tag2、卡片寄生电容C_par、模拟前端电路和数字等效负载Rlaod。标签卡模型能够模拟标签芯片模拟前端带直流负载Rload的能力，也能够模拟工作于谐振或者失谐时卡的状态，还能够模拟卡片天线Q值（决定于L_tag 、R_tag及工作频率）对调制信号边带深度及能量接收的影响。因此，这些参数必须根据实际情况仔细选取，否则会对模拟前端的功能实现造成很大的影响。
感应线圈模型（sense）包括两个感应线圈L_sen1/ L_sen2、线圈电阻R1和频谱分析仪探头模型probe，感应线圈模型则等效ISO/IEC 10373-6测试协议规定的负载调制测试PCB板线圈，它们用来检验标签天线发送过来的基于副载波的负载调制的边带深度是否满足ISO/IEC 14443-2协议规定的最低解调标准。探头模型则模拟实际示波器和频谱分析仪的探头等效电路（包括寄生电容和寄生电阻），探头模型可以帮助理解实测数据误差的引入，也有助于实际测试仪器探头的选取。
场强仪模型（meter）包括线圈电感L_meter及其寄生电容C_meter和电阻R_meter，场强仪模型主要为了测试阅读器方发送的场强大小，据其调节阅读器载波发送幅度以满足ISO/IEC 14443协议规定的1.5A/m~7.5A/m的场强范围。
以5线圈的天线为例，分别测试作为标签卡天线的电感两端在接入1MΩ，100kΩ，10kΩ，1kΩ，500Ω的电阻和空载时的电压，得到的值如附图3所示。使用本发明的电路模型系统分别对以上情况的天线电感两端电压进行仿真，得到的值如附图4所示。比较图3和图4，本发明的电路模型仿真的电压值与实际测试的电压值误差不超过20%，如附图5所示。
综上所述，本发明的电路模型能够较真实地模拟标签芯片的测试系统，该模型适用于ISO/IEC 14443非接触式标签芯片模拟前端的仿真测试，对模型稍作修改也可用于ISO/IEC 15693非接触式标签芯片模拟前端的仿真分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (5)

1.一种射频识别系统电路仿真模型，其特征在于，它包括：
用于模拟实际阅读器等效电路，产生100%ASK调制信号的阅读器模型；
用于模拟实际包含标签芯片在内的整张标签卡等效电路的标签卡模型；
用于模拟实际测试副载波负载调制边带深度的PCB板线圈、示波器和频谱分析仪等效电路的感应线圈模型；
用于模拟实际场强测试仪等效电路的场强仪模型。
2.根据权利要求1所述的射频识别系统电路仿真模型，其特征在于，所述阅读器模型包括100%ASK调制信号产生电路、源阻抗Rin、阅读器天线匹配网络、阅读器线圈天线L_reader和阅读器天线阻抗R_reader。
3.根据权利要求1所述的射频识别系统电路仿真模型，其特征在于，所述标签卡模型包括卡上天线电感L_tag、寄生电阻R_tag1/ R_tag2、卡片寄生电容C_par、模拟前端电路和数字等效负载Rlaod。
4.根据权利要求1所述的射频识别系统电路仿真模型，其特征在于，所述感应线圈模型包括两个感应线圈L_sen1/ L_sen2、线圈电阻R1和频谱分析仪探头模型probe。
5.根据权利要求1所述的射频识别系统电路仿真模型，其特征在于，所述场强仪模型包括线圈电感L_meter及其寄生电容C_meter和电阻R_meter。
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