CN110147694B - 一种射频前端电路及射频标签电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别技术领域，公开了一种射频前端电路及射频标签电路，所述前端电路包括整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路，所述射频标签电路包括天线模块、模拟前端模块、数字基带模块、存储器模块，以及所述的射频前端模块。本发明的射频前端电路能够实现能量的高转换效率，有效降低电路功耗，切实实现了稳定输出，提高射频识别的应用距离，降低了环境因素对于电路的影响，从电路级别增强了射频识别的稳定性。

Description

一种射频前端电路及射频标签电路

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，具体涉及一种射频前端电路及射频标签电路。

背景技术

无线射频识别RFID(Radio Frequency Identification)是物联网的重要技术。它是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签(俗称卡如银行卡、公交卡等)，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。无线电的信号通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。

RFID系统主要由三部分组成：标签Tag、读写器Reader和后台服务器，其中：标签是所附着物品或持有者的信息载体；读写器是读写标签的设备，负责向后台数据库传送标签信息并执行指令；后台服务器用来存储和处理标签与读写器的数据信息，对它们进行管理和控制。

按照标签芯片能量获取来源的不同划分，RFID标签可以分为有源和无源。有源标签自身内部有供电模块，通过供电模块满足整体标签的工作需求，不需要外部的额外能量，有源标签工作距离非常远，准确度高，同时能够支持复杂的算法结构的消耗，安全性高，但其尺寸大，成本高，一般用于特殊需求的环境。

无源标签本身内部不包含电源模块，通过将读写器发送的电磁波转换成电压来满足工作所需的电源，在不工作状态时，无源标签处于静止状态，完全没有功耗，在工作时，读写器必须想标签发送激活信号，标签接收到激活命令后才开始正常工作，因此无源标签内部结构较为简单、尺寸小、成本低，能够广泛地应用于物品的标志识别。

由于无源RFID标签自身没有能量提供模块，其所有的能量来自读写器发射的高频射频信号，而标签能够接收到的功率随着与读写器距离的提升而急剧减小，而在射频标签中，射频前端既接收能量作为整个标签芯片的能量入口，又解调调制数据实现数据的传递，是标签芯片最重要的模块之一，如何对其进行改进设计，以此提高标签的应用距离，同时减少外部环境因素对于电路稳定性的影响，保证整个射频电路标签可靠工作是急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种射频前端电路及射频标签电路，用解决背景技术中的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种射频前端电路，包含整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路；

所述射频前端电路配置成通过整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路在天线和基带模块间实现高频交流到直流的电压转换以及数据的解调与调制功能；

所述整流器电路配置成通过阻抗匹配电路获取所述天线接收的射频信号整流转换成直流电压，提供给其他模块使用；

所述解调电路配置成通过阻抗匹配电路获取天线接收的射频信号，并将其中调制信号解调出来，进行滤波比较稳压后送入所述基带模块进行处理；

所述调制电路配置成通过改变射频前端阻抗，用以改变所述天线与标签的匹配程度，实现反射射频信号能量大小表示调制数据提供阅读器解调读取；

所述整流器电路包含整流单元电路、镜像电路、基准电流源和限压电路，所述整流单元电路串联设置，其输出接入限压电路，所述基准电流源通过镜像电路向所述整流单元电路提供偏置电流；

所述整流单元电路包括NMOS管M1、M2，PMOS管M3、M4，耦合电容C1，储能电容C2，稳压补偿电容C3、C4，所述M1与M3共漏极并接入C1的一端，C1另一端接输入，M1栅极、M2漏极和栅极、C3一端共同接入偏置电流I1，M1源极、M2源极和C3另一端接地，M3栅极、M4漏极和栅极、C4一端共同接入偏置电流I2，所述C4另一端接地，所述M3与M4共源极并与C2一端共同接输出，C2另一端接地；

所述镜像电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，所述第一镜像电路和第二镜像电路分别提供方向相反的偏置电流I1和I2；

所述基准电流源包括由两个NMOS管M5、M6组成的温度补偿电路、两个由PMOS管M7、M8组成的偏置电流电路、电流镜电路和电压电流转换电路；

所述电压电流转换电路包括运放电路，所述运放电路输出端连接NMOS管M9栅极，M9源极与运放负极输入端相连并接入负载R1一端，所述负载R1另一端接地，所述偏置电流电路产生偏置电流通过电流镜电路注入温度补偿电路中，所述温度补偿电路的输出补偿电压送入所述电压电流转换电路中运算放大器的正极输入端；

所述限压电路配置成将整流单元输出电压稳定在预设值进行输出，其包括NMOS管M10、M11、M12、M13，PMOS管M14、M15、M16、M17、M18，储能电容C5，所述整流单元输出分别接入PMOS管M14、M15的源极，M14栅极与M15的漏极相连并接入NMOS管M10的漏极和栅极，所述PMOS管M14漏极分别接入NMOS管M11的漏极、PMOS管M16的源极、储能电容C5的一端以及直流电压输出，所述PMOS管M17、M18共栅极接地、共源极接入PMOS管M16的漏极，所述NMOS管M12、M13共栅极接入M17和M12的漏极，所述M18与M13共漏极接入M11的栅极，所述M13源极接入负载R2一端，所述M14、M16、M17、M18的栅极、储能电容C5的另一端、负载R2的另一端、NMOS管M10、M11的源极分别接地，所述M10的栅极还接入偏置电压输出；

所述解调电路包括低噪声放大器和混频器。

优选地，所述整流单元电路的个数为三个。

优选地，所述整流单元电路中的耦合电容采用MOM电容，所述储能电容为MOS电容。

优选地，所述偏置电流I1和I2的大小相等。

优选地，所述负载R1、R2采用具有负温度系数的片上多晶硅高阻。

优选地，所述低噪声放大器采用单转双结构以及双反馈回路结构，用以消除共栅管的噪声以及提高电路的电压增益。

优选地，所述低噪声放大器包括PMOS管M19、M20，NMOS管M21、M22、M23，耦合电容C6、C7，负载R3、R4，所述M19、M20共源极接入直流电压，M19与M21共漏极，M21源极、M22漏极、M23栅极共同接入射频输入端，M21栅极、M22栅极分别接入偏置电压，M19栅极分别接入负载R3和电容C6一端，电容C6另一端与M20漏极和M23漏极共同接入射频差分负输出端，M20栅极分别接入负载R4和电容C7一端，电容C7另一端与M19漏极和M21漏极共同接入射频差分正输出端，所述负载R3、R4的另一端以及M22、M23的源极分别接地。

优选地，所述负载R3、R4为有源负载。

优选地，所述混频器包括反相器以及双平衡有源混频器，本振正极信号通过反相器送入双平衡有源混频器；

所述反相器采用动态阈值电压MOS管构成。

本发明还提供一种射频标签电路，包括天线模块、模拟前端模块、数字基带模块、存储器模块，以及采用如前述的射频前端电路配置的射频前端模块。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的射频前端电路能够实现能量的高转换效率，有效降低电路功耗，切实实现了稳定输出，提高射频识别的应用距离，降低了环境因素对于电路的影响，从电路级别增强了射频识别的稳定性；

本发明对于整流单元电路、基准电流源、限压电路以及低噪声放大器电路进行优化设计，使得其相互协同作用，降低了电路功耗，减少了噪声，提高了对于包括温度在内的环境稳定性，使得从晶体管级别有效提高了射频前端电路的性能，为提升射频标签芯片的硬件性能提供了可能。

关于本发明相对于现有技术，其他突出的实质性特点和显著的进步在实施例部分进一步详细介绍。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实施例的一种射频前端电路的结构示意图；

图2为本实施例的整流单元电路结构示意图；

图3为本实施例的整流单元电路中储能电容为MOS电容时的结构示意图；

图4为本实施例的整流器电路中采用三个整流单元电路级联的结构示意图；

图5为本实施例的基准电流源电路的结构示意图；

图6为本实施例的限压电路电路的结构示意图；

图7为本实施例的低噪声放大器的结构示意图；

图8为本实施例的射频标签电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在说明书及权利要求书当中使用了某些名称来指称特定组件。应当理解，本领域普通技术人员可能会用不同名称来指称同一个组件。本申请说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的实质性差异作为区分组件的准则。如在本申请说明书和权利要求书中所使用的“包含”或“包括”为一开放式用语，其应解释为“包含但不限定于”或“包括但不限定于”。具体实施方式部分所描述的实施例为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围。

请参考图1，本实施例的一种射频前端电路，包含整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路；

其中射频前端电路配置成通过整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路在天线和基带模块间实现高频交流到直流的电压转换以及数据的解调与调制功能；

其中整流器电路配置成通过阻抗匹配电路获取所述天线接收的射频信号整流转换成直流电压，提供给其他模块使用；

其中解调电路配置成通过阻抗匹配电路获取天线接收的射频信号，并将其中调制信号解调出来，进行滤波比较稳压后送入所述基带模块进行处理；

其中调制电路配置成通过改变射频前端阻抗，用以改变所述天线与标签的匹配程度，实现反射射频信号能量大小表示调制数据提供阅读器解调读取；

整流电路作为整个前端以及标签电路的能量来源，其性能至关重要，本实施例对其进行了优化设计，请参照图2-6，本实施例中的整流器电路包含整流单元电路、镜像电路、基准电流源和限压电路，所述整流单元电路串联设置，其输出接入限压电路，所述基准电流源通过镜像电路向所述整流单元电路提供偏置电流；

请参照图2，本实施例的整流单元电路包括NMOS管M1、M2，PMOS管M3、M4，耦合电容C1，储能电容C2，稳压补偿电容C3、C4，所述M1与M3共漏极并接入C1的一端，C1另一端接输入，M1栅极、M2漏极和栅极、C3一端共同接入偏置电流I1，M1源极、M2源极和C3另一端接地，M3栅极、M4漏极和栅极、C4一端共同接入偏置电流I2，所述C4另一端接地，所述M3与M4共源极并与C2一端共同接输出，C2另一端接地；

本实施例的整流单元电路采用阈值补偿将二极管连接的MOS管的性能改善到类似于理想二极管，对整流电路的转换效率有较大的提高，特别在这里本实施例采用NMOS管和PMOS管交叉结构稳定了补偿电压，提高了电路的稳定性，在输出处接入储能电容，能够有效减少纹波，在本发明中采用MOS电容来实现，可以降低成本；

参照图3，在本实施例中述整流单元电路中的耦合电容采用MOM电容，所述储能电容为MOS电容；

在统筹考虑到多级整流过程中的电容耦合以及体效应，在本实施例中整流器电路采用三个整流单元电路进行级联而成，请参照图4；

本实施例中的镜像电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，所述第一镜像电路和第二镜像电路分别提供方向相反的偏置电流I1和I2；在本实施例中I1和I2可以相等；

请参照图5所述基准电流源包括由两个NMOS管M5、M6组成的温度补偿电路、两个由PMOS管M7、M8组成的偏置电流电路、电流镜电路和电压电流转换电路；

M5、M6组成的温度补偿电路利用不同MOS管的阈值电压差的温度特性，构成与片上电阻温度特性相一致的补偿电压，所有MOS管均工作在亚阈值区，可以降低功耗；

所述电压电流转换电路包括运放电路，所述运放电路输出端连接NMOS管M9栅极，M9源极与运放负极输入端相连并接入负载R1一端，所述负载R1另一端接地，所述偏置电流电路产生偏置电流通过电流镜电路注入温度补偿电路中，所述温度补偿电路的输出补偿电压送入所述电压电流转换电路中运算放大器的正极输入端；在这里运算放大器采用工作在亚阈值区的两级运算放大器；在具体实施中可以通过调节补偿电压的温度系数与电阻的温度系数，达到相同的值，就能获得对工艺变化不敏感的较低温度系数的基准电流；基准电流源温度特性与工艺接近无关，能提供高精度的基准电流；

由于射频前端的整流器输出的电压随标签和读写器间的距离变化的拨动较大，距离较近时输出电压较高，较高的电压会导致动态功耗和静态功耗的增大，甚至会造成击穿MOS管的危险，因此本发明在整流单元电路输出连接限压电路：

请参照图6，本实施例的限压电路配置成将整流单元输出电压稳定在预设值进行输出，其包括NMOS管M10、M11、M12、M13，PMOS管M14、M15、M16、M17、M18，储能电容C5，所述整流单元输出分别接入PMOS管M14、M15的源极，M14栅极与M15的漏极相连并接入NMOS管M10的漏极和栅极，所述PMOS管M14漏极分别接入NMOS管M11的漏极、PMOS管M16的源极、储能电容C5的一端以及直流电压输出，所述PMOS管M17、M18共栅极接地、共源极接入PMOS管M16的漏极，所述NMOS管M12、M13共栅极接入M17和M12的漏极，所述M18与M13共漏极接入M11的栅极，所述M13源极接入负载R2一端，所述M14、M16、M17、M18的栅极、储能电容C5的另一端、负载R2的另一端、NMOS管M10、M11的源极分别接地，所述M10的栅极还接入偏置电压输出；

本实施例中采用的自启动偏置结构，使得得到的输出供电电压与整流器输出电压无关，在这里调节M15的沟道长度可以调节VDD建立的的速度，M14的沟道长度决定了限位电路的功耗和VDD的大小；

本实施例中解调电路包括低噪声放大器和混频器；

其中低噪声放大器采用单转双结构以及双反馈回路结构，用以消除共栅管的噪声以及提高电路的电压增益；

请参照图7，本实施提供的低噪声放大器包括PMOS管M19、M20，NMOS管M21、M22、M23，耦合电容C6、C7，负载R3、R4，所述M19、M20共源极接入直流电压，M19与M21共漏极，M21源极、M22漏极、M23栅极共同接入射频输入端，M21栅极、M22栅极分别接入偏置电压，M19栅极分别接入负载R3和电容C6一端，电容C6另一端与M20漏极和M23漏极共同接入射频差分负输出端，M20栅极分别接入负载R4和电容C7一端，电容C7另一端与M19漏极和M21漏极共同接入射频差分正输出端，所述负载R3、R4的另一端以及M22、M23的源极分别接地；

在本实施例设计的低噪声放大器一方面M21热噪声在正负输出端以同相的方式输出，输出信号则以反相的方式输出，因此在差分输出端，电压增益加倍，噪声得到有效消除，产生的波形失真也能够被消除，另一方面采用有源负载替代传统的电阻负载，避免了传统电阻消耗较大的压降，造成电压裕度不够，导致可能出现的低噪声放大器的不稳定工作，同时本发明的放大器增加了双反馈环路来提高电路的增益，无需增加额外电路，减少面积消耗；

本实施例中的混频器包括反相器以及双平衡有源混频器，本振正极信号通过反相器送入双平衡有源混频器；

所述反相器采用动态阈值电压MOS管构成。

在本实施例中中负载R1、R2为电阻负载，优选采用R1、R2为有源负载形式，可以采用具有负温度系数的片上多晶硅高阻；

参照图8，本实施例还提供一种射频标签电路，其特征在于，包括天线模块、模拟前端模块、数字基带模块、存储器模块，以及采用如前述的射频前端电路配置的射频前端模块。

本发明的一种基于双向认证的高安全性射频识别方法、装置和系统实现了标签和读写器的双向认证以及多次认证，具有良好的安全与隐私保护特性，保证了通信的安全性和抗风险性，在一些重要保密的场合有广泛的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种射频前端电路，其特征在于，包含整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路；

所述射频前端电路配置成通过整流器电路、解调电路、调制电路和阻抗匹配电路在天线和基带模块间实现高频交流到直流的电压转换以及数据的解调与调制功能；

所述整流器电路配置成通过阻抗匹配电路获取所述天线接收的射频信号整流转换成直流电压，提供给其他模块使用；

所述解调电路配置成通过阻抗匹配电路获取天线接收的射频信号，并将其中调制信号解调出来，进行滤波比较稳压后送入所述基带模块进行处理；

所述调制电路配置成通过改变射频前端阻抗，用以改变所述天线与标签的匹配程度，实现反射射频信号能量大小表示调制数据提供阅读器解调读取；

所述阻抗匹配电路配置在天线模块与整流器电路、解调电路、调制电路之间，用于满足天线模块与整流器电路、解调电路、调制电路合理匹配，使得高频的微波信号皆能传至负载点，减少反射回来源点的信号，降低反射系数；

所述整流器电路包含整流单元电路、镜像电路、基准电流源和限压电路，所述整流单元电路串联设置，其输出接入限压电路，所述基准电流源通过镜像电路向所述整流单元电路提供偏置电流；

所述整流单元电路包括NMOS管M1、M2，PMOS管M3、M4，耦合电容C1，储能电容C2，稳压补偿电容C3、C4，所述M1与M3共漏极并接入C1的一端，C1另一端接输入，M1栅极、M2漏极和栅极、C3一端共同接入偏置电流I1，M1源极、M2源极和C3另一端接地，M3栅极、M4漏极和栅极、C4一端共同接入偏置电流I2，所述C4另一端接地，所述M3与M4共源极并与C2一端共同接输出，C2另一端接地；

所述镜像电路包括第一镜像电路和第二镜像电路，所述第一镜像电路和第二镜像电路分别提供方向相反的偏置电流I1和I2；

所述基准电流源包括由两个NMOS管M5、M6组成的温度补偿电路、两个由PMOS管M7、M8组成的偏置电流电路、电流镜电路和电压电流转换电路，所述两个PMOS管M7、M8以二极管连接方式相连，所述偏置电流电路产生偏置电流通过电流镜电路注入温度补偿电路中；

所述电压电流转换电路包括运放电路，所述运放电路输出端连接NMOS管M9栅极，M9源极与运放负极输入端相连并接入负载R1一端，所述负载R1另一端接地，所述温度补偿电路的输出补偿电压送入所述电压电流转换电路中运算放大器的正极输入端；

所述限压电路配置成将整流单元输出电压稳定在预设值进行输出，其包括NMOS管M10、M11、M12、M13，PMOS管M14、M15、M16、M17、M18，储能电容C5，所述整流单元输出分别接入PMOS管M14、M15的源极，M14栅极与M15的漏极相连并接入NMOS管M10的漏极和栅极，所述PMOS管M14漏极分别接入NMOS管M11的漏极、PMOS管M16的源极、储能电容C5的一端以及直流电压输出，所述PMOS管M17、M18共栅极接地、共源极接入PMOS管M16的漏极，所述NMOS管M12、M13共栅极接入M17和M12的漏极，所述M18与M13共漏极接入M11的栅极，所述M13源极接入负载R2一端，所述M14、M16、M17、M18的栅极、储能电容C5的另一端、负载R2的另一端、NMOS管M10、M11的源极分别接地，所述M10的栅极还接入偏置电压输出；

所述解调电路包括低噪声放大器和混频器。

2.根据权利要求1所述的一种射频前端电路，所述整流单元电路的个数为三个。

3.根据权利要求1所述的一种射频前端电路，所述整流单元电路中的耦合电容采用MOM电容，所述储能电容为MOS电容。

4.根据权利要求1所述的一种射频前端电路，其特征在于，所述偏置电流I1和I2的大小相等。

5.根据权利要求1所述的一种射频前端电路，其特征在于，所述负载R1、R2采用具有负温度系数的片上多晶硅高阻。

6.根据权利要求1所述的一种射频前端电路，其特征在于，所述低噪声放大器采用单转双结构以及双反馈回路结构，用以消除共栅管的噪声以及提高电路的电压增益。

7.根据权利要求6所述的一种射频前端电路，其特征在于，所述低噪声放大器包括PMOS管M19、M20，NMOS管M21、M22、M23，耦合电容C6、C7，负载R3、R4，所述M19、M20共源极接入直流电压，M19与M21共漏极，M21源极、M22漏极、M23栅极共同接入射频输入端，M21栅极、M22栅极分别接入偏置电压，M19栅极分别接入负载R3和电容C6一端，电容C6另一端与M20漏极和M23漏极共同接入射频差分负输出端，M20栅极分别接入负载R4和电容C7一端，电容C7另一端与M19漏极和M21漏极共同接入射频差分正输出端，所述负载R3、R4的另一端以及M22、M23的源极分别接地。

8.根据权利要求7所述的一种射频前端电路，其特征在于，所述负载R3、R4为有源负载。

9.根据权利要求1所述的一种射频前端电路，其特征在于，所述混频器包括反相器以及双平衡有源混频器，本振正极信号通过反相器送入双平衡有源混频器；

所述反相器采用动态阈值电压MOS管构成。

10.一种射频标签电路，其特征在于，包括天线模块、模拟前端模块、数字基带模块、存储器模块，以及采用如权利要求1-9所述的射频前端电路配置的射频前端模块。

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