利用仿真工具预测RFID系统的性能

小栅长PMOS晶体管的四级电荷泵作为整流器。这些PMOS晶体管的衬底端被连接到栅和漏端(反向偏置)，以此来减少有效的阈值电压。通过采用Nexxim的谐波平衡仿真进行优化，来获得该晶体管的尺寸和金属-绝缘层-金属(MIM)电容的值。整流器的输出直接提供给电压调节器。

通过在稳压器电路之后采用电压限幅器来实现电压调节。该限幅器电路确保了电压调节器的输入电压水平低于3.3V晶体管的击穿电压。该电压调节器包括了启动和自偏置电路、带隙参考电路以及电压调节器。该稳压器的输出电压水平被设为1.25V，这将是数字电路以及其他模拟电路的电源电压。仿真表明稳压器的静态电流消耗小于200nA。当电荷泵电路产生的电源电压足够高时，复位信号变为"低"状态来初始化数字电路的状态机。为了避免错误触发，复位电路提供了必要的迟滞特性。

　　解调器和环路振荡器

　　解调器是由快速电荷泵、峰值检测器和比较器组成。快速电荷泵检测经过ASK调制的射频信号的包络。此后，包络由峰值检测器作进一步的处理后来获得其缓慢变化的均值，该峰值检测器是由二极管连接的MOSFET和电容形成的。然后，包络信号及其缓慢变化的部分相比较来产生数字格式的解调信号。该比较器如图3中所示，其被设计为轨到轨共模输入范围满足宽的标签工作范围。其迟滞输入-输出特性还使得其可以工作在噪声环境下。环路振荡器是按照 Sundaresan等人报导的方式进行设计的。作为标签IC的时钟产生器，该设计提供了4MHz的额定振荡频率。其对工艺和温度的变化都不敏感。

调制器根据数字输入信号来改变连接到天线的变容二极管的电容。通过调整电容，改变了天线的雷达截面(RCS)。阅读器检测到这些变化，使得反向散射信息可以在阅读器一侧被恢复。变容二极管通过隔直电容连接到天线端。通过变容二极管的电压由图3中间的反偏电流控制。该电流可以减慢电容改变的速度，因此反向散射调制信号可以满足FCC辐射规范。

　　由整流器电路看过去的输入阻抗主要是容性的。天线必须与这一容性输入相匹配来将整流器从入射波吸收的能量最大化。由于对成本的敏感性，在天线实现阻抗匹配，而不是采用分立的集总元件是适当的。天线设计的目标是调整天线的尺寸以便其电抗与芯片的输入阻抗的电抗谐振。在Ansoft Designer中采用平面矩量法电磁场求解器对天线的行为进行仿真。

图4是标签前端的输入阻抗图。其采用Nexxim的谐波平衡引擎在拉源阻抗的大信号条件下进行仿真。功率转换到标签电路的最佳源阻抗在 900MHz是Zs=35+j155Ω，当实现天线设计时，Zs还是理想的输入阻抗。采用达到Zs输入阻抗的目标来实现优化，以便可以从源(或天线)传输最大的功率。最终的设计如图5所示，其在整个UHF RFID频段内平坦的阻抗响应下产生了Za=34.3+j155Ω的输入阻抗。其还拥有1.95dB增益的宽全方向图。

在全部必要的电路和天线设计之后，要花时间将所有模块放入系统仿真器中来实现通信链路分析。在Ansoft Designer中实现了两个分离的系统平台来完成链路测试。阅读器到标签(例如上行链路)和标签到阅读器(例如下行链路)测试平台如图6所示。在两个实例中阅读器都采用行为模型来实现。对于标签到阅读器的测试，也包括了在阅读器一侧的行为级PSK解调器，来恢复PSK反向散射调制信号。

EPCglobal协议提供了长连续波(CW)脉冲来允许标签在发送数据之前上电。以下的仿真结果表示了在引导CW发射期间的上电行为(图 7)。在深幅度调制(AM)的条件下可以观察到电源电压纹波。恢复后的PIE波如图8中的绿线所示。

　　图9表示了在标签一侧作为输入的返回调制数据。如前所述，阅读器通过RCS的变化接收反向散射的能量。尽管在阅读器一侧可以看到数据恢复，但其噪声很大。所恢复的时序和脉冲周期与经过调制的信号输入极为相关。

本文提出了基于商用0.18μm CMOS工艺的EPC Global Class-1 Generation-2 UHF RFID标签电路设计。采用标准晶圆厂库器件和已建立的IC设计流程阐明了标签模拟前端的设计和仿真，该模拟前端包括了整流器、电压调节器、复位、解调器和调制器电路等。采用Nexxim来实现额外的谐波平衡和源拉仿真。文中所示的天线设计提供了与整流器输入阻抗的共轭匹配。为了将所有这些方面组合在一起，顶层验证组合了行为模型、HFSS天线系统模型以及Nexxim瞬态仿真。这样，表明了该设计为上行链路和下行链路都提供了可靠的DC电源和解调后的信号。请参见图10。（Ansoft公司）