第25卷第7期電子測量與儀器學(xué)報Vol. 25 No. 7626●JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT2011年7月DOI: 10.3724/SP.J.1187.2011.00626RFID中天線的優(yōu)化設(shè)計”張東姜巖峰生曉坤(北京自動測試技術(shù)研究所,北京10088)摘要: RFID(射頻識別)芯片可在某些自動控制系統(tǒng)中用于信號的接收與檢測，其中天線的集成設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)的體積及性能，因此,天線的集成化設(shè)計成為RFID技術(shù)研究的一個重點。本文首先用集總參數(shù)模型對片上天線進(jìn)行建模,并采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計天線,而且用IE3D電磁仿真工具對其進(jìn)行仿真,驗證了片上天線的可行性及實用性,最后討論了片上天線的優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)工藝對天線性能的有效提高。關(guān)鍵詞:自動控制;片上天線;電磁仿真;優(yōu)化設(shè)計中圖分類號: TN402文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼: 510.3030Optimization design of antenna in the radio frequency identificationZhang Dong Jiang Yanfeng Sheng Xiaokun(Bejing Institute of Auto-Testing Technology, Beijing 10088, China)Abstract: The chip of radio frequency identification can be used to receive and detect the signal in some automaticcontrol system. The integrated design of the antenna concerns the volume and performance of the whole system, so theintegrated design of antenna has become an emphases for the study of RFID technology. Firstly, a lumped parametermodel is used to model the antenna. Then the antenna is designed with the standard CMOS technology and is simulated bythe electromagnetism simulation tool. The feasibility and practicability of the antenna on single chip can be tested by thisay. Finally, the optimization design of the antenna on single chip is discussed. At the same time, the performance of theantenna can be enhanced effectively with the improved technology.Keywords: automatic control system; antenna on single chip; electromagnetism simulation; optimization design1引言部選項中選定自己所需要車的顏色、引擎號,還有天線在RFID(射頻識別)系統(tǒng)中占據(jù)很重要的地輪胎樣式等要求。這樣,汽車裝配流水線上就得裝配_上百種樣式的寶馬汽車,需要非常復(fù)雜的控制系位,其設(shè)計性能的好壞及體積的大小決定了系統(tǒng)的統(tǒng)。寶馬公司在其裝配流水線上配有RFID系統(tǒng),輸整體性能和應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)-一步拓展。 尤其是RFID人詳細(xì)的汽車所需的所有要求， 在每個工作點處都中天線的微型化即將天線集成到芯片內(nèi)使得RFID有讀寫器,可以保證各款汽車在各個流水線處能被芯片可以方便地應(yīng)用于空間受限的場所,通過接收毫不出錯地組裝出來。此外,由于天線的集成化,能指令信息，從而實現(xiàn)對某些系統(tǒng)的自動化控制1-5)。夠?qū)FID芯片封裝到汽車鑰匙當(dāng)中,并在汽車上在門控系統(tǒng)中可用來進(jìn)行人員身份識別，若裝有讀寫器。RFID芯片中含有特定碼字,當(dāng)鑰匙插RFID芯片接收到正確的信息，則通過控制電路將人點火器中，讀寫器能夠辨別鑰匙的身份。如果讀門打開，否則拒絕來人進(jìn)入。德國寶馬汽車公司在寫器接收不到RFID芯片發(fā)送來的特定信號,汽車裝配流水線上應(yīng)用RFID芯片以盡可能大量地生產(chǎn)的引擎將不會發(fā)動。目前，歐洲豐田汽車、福特汽用戶定制的汽車。寶馬汽車的生產(chǎn)是基于用戶提出車和Mitsub中國煤化工造商Hyundai的要求樣式而生產(chǎn)的:用戶可以從上萬種內(nèi)部和外等在它的歐YHCNMHG片在歐洲和美本文于2011年4月收到。*基金項目:北京市科學(xué)技術(shù)研究院科技創(chuàng)新I程(編號: PXM2011-178102-113436)資助項目。.第7期RFID中天線的優(yōu)化設(shè)計627●國出售的汽車中用于防盜。目前全世界已經(jīng)有大約當(dāng)片上天線的總長度遠(yuǎn)小于其工作頻率所對應(yīng)數(shù)百萬輛汽車裝有該防盜系統(tǒng)168]。的波長時，可以將片上天線看作是一個集總模型!8。本文首先用集總參數(shù)模型對片上天線進(jìn)行建模,工作頻率13.56 MHz對應(yīng)的波長為:并采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計天線，而且用IE3D電3x108≈22.1 m(1)磁仿真工具對其進(jìn)行仿真，驗證了片上天線的可行a==13.56x106性及實用性，最后討論了片上天線的優(yōu)化設(shè)計和改設(shè)e= w+s=8.8 um,則天線的總長度為: .進(jìn)工藝對天線性能的有效提高。lp=4n[1-(n-l)e]=4x33x[2x10- -(33-1)x8.8x100]~ 0.227 m(2)2天線 的設(shè)計由基本的RFID系統(tǒng)主要包括標(biāo)簽芯片、閱讀器4= 022 =0.0103<5%(3)h“22.1和信息處理系統(tǒng)。由于RFID系統(tǒng)要求精確地接收可以將該天線看作是一個集總模型,如圖2所信號,因此需要耦合良好,可靠性高的天線，同時示。其中L.為線圈的電感值,R,為線圈的寄生電阻,也要求標(biāo)簽具有體積小，功耗低,工作距離進(jìn)可能Cr、Cr、Cox分別指頂層金屬與下層通道之間的交疊遠(yuǎn)的性能來滿足各種應(yīng)用場所7111。RFID中的天線在很大程度上決定了RFID芯片的電容、襯底的分布電容、線圈和襯底之間的氧化層設(shè)計性能,因此，天線的優(yōu)化設(shè)計尤其顯的重要。它的電容, R;;為襯底的電阻?；境霭l(fā)點是利用法拉第電磁感應(yīng)原理把外界變化的__R磁場轉(zhuǎn)化為芯片上的電源電壓作為整個芯片的工作電源,同時利用電磁場變化引起的片上電流或電壓的變化來鑒別接收信號,通過改變其自身對外等效阻抗導(dǎo)致的外界磁場變化把信號傳輸至接收端2-15]。千C2采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在平面硅基襯底上淀積金屬鋁連線圍繞形成螺旋狀從而具有電感的特性,設(shè)定天線的工作頻率f為13.56 MHz,處于- -個磁感2R。| CJ22R。C/2應(yīng)強度B為10高斯左右的磁場中。從市場成本的角度考慮,天線的面積不超過4 mm?, 采用正方形平面螺旋結(jié)構(gòu)來設(shè)計天線,則天線的最大外邊長可取2 mm。此外，設(shè)天線的內(nèi)徑為1 414 um,圈數(shù)n圖2片上天線集總參數(shù)模型為33,金屬鋁線寬w為8um,金屬線之間的間距sFig. 2 Chip antenna lumped parameter model為0.8um,圖1為正方形平面螺旋電感天線示意圖。根據(jù)相關(guān)公式，由天線的幾何尺寸可以計算出天線的等效總面積:A= nl2 -2len(n+ 1)+(2/3)e2n(n+ 1)(2n+1)=33x(2x10-)2 -2x2x10-3 x8.8x106 x33<(33+1)+(2/3)x(8.8x10*)2 x33>(33+ 1)*(2x33+1) =96.39 mm2(4)天線的開路電壓為:2rgBA中國煤化工(5)1YHC N MH G8.21V圖1正方形平面螺旋電感天線示意 圖經(jīng)過全波整流得到的天線的開路直流電壓為:Fig. 1 Schematic diagram of plane spiral inductanceantenna with squareVDc-OPEvYp-p-0.7=x8.21-0.7=3.41 v (6)2.628●電子測量與儀器學(xué)報第25卷當(dāng)取天線的負(fù)載R為5 kQ時,天線可提供的4討論功率為:采用CMOS工藝制造片上天線,天線的性能不p=VDC-OPEN5x103∞2.33 MW7)可避免地會受到各種損耗機制的影響。損耗主要來RL由以上計算出的數(shù)據(jù)可知該天線能滿足一般源于兩個方面:金屬連線的損耗和襯底效應(yīng)引起的RFID芯片電路正常工作時所需要的電壓和功率。損耗。由于金屬連線的電導(dǎo)率有限，部分能量將以熱能形式損耗在連線中。隨著頻率的增加,由于金3天線的仿真屬連線中渦流的影響,表現(xiàn)為趨膚效應(yīng)和鄰近效對設(shè)計出的天線需進(jìn)行仿真,以驗證其設(shè)計的應(yīng)。金屬連線中的電流分布不再均勻,渦流引起的正確性。本文采用目前最為通用、簡單易學(xué)、高效磁場將和原來的磁場方向相反。渦流的存在使金屬準(zhǔn)確的電磁仿真工具IE3D來進(jìn)行天線的仿真9。線中的凈電流減小，因而導(dǎo)致金屬線的交流阻抗增在ZELAND FOLDER文件夾中雙擊MGRID運加。襯底中的渦流的流向和電感中電流的流向相反,行線路圖編輯器繪制天線的線路圖。建立- -個新文因此渦流引起的磁場將使原來的磁感應(yīng)強度減小，件,設(shè)置基本參數(shù)。首先設(shè)置單位為um,線路圖的因而導(dǎo)致電感值的下降和串聯(lián)電阻的增加。此外,尺寸長為-1 000~1 000,寬為-1 000~1 000,網(wǎng)格為襯底耦合噪聲也會嚴(yán)重影響天線的性能，可通過仔0.1。然后定義襯底層參數(shù), MGRID默認(rèn)建立兩層介細(xì)設(shè)計版圖來減小和消除。質(zhì): No.0是電導(dǎo)率為4.9x107 s/m的金質(zhì)良導(dǎo)體,在片上天線和襯底之間插人地阻隔層來把螺旋No.0襯底層上表面z坐標(biāo)總等于0且不能改變。No.1電感 和襯底分開是減小耦合噪聲提高Q值的一種很層是空氣,其上表面z坐標(biāo)Zop=1.0x10'S mm,也就有效的方法,地阻隔層可以由阻抗較低的一鋁或多是說整個上半空間填充滿空氣。在No.1層上再分別晶硅形成，相當(dāng)于將襯底用小電阻短路來阻止通向定義z坐標(biāo)Zop=675, 介電常數(shù)為12,磁導(dǎo)率為1,襯底的電流。為了阻止地阻隔層中渦流的產(chǎn)生,可電導(dǎo)率為5的襯底層和z坐標(biāo)Zop=675.85,介電常以將地阻隔層做成放射狀圖樣,如圖4所示，這樣數(shù)為4,磁導(dǎo)率為1,電導(dǎo)率為0的絕緣層。接下來就切斷了感應(yīng)的渦流的通路。最后要用最上層的金定義金屬帶類型,默認(rèn)No.1金屬帶,其參數(shù)為金屬屬將放射狀阻隔層連起來接到地,并且連接時要注線厚度為2,介電常數(shù)為1,磁導(dǎo)率為1, 電導(dǎo)率為意避免形成環(huán)路引起渦流。4.9x10' s/m,再定義-層No.2金屬帶,其參數(shù)為金屬線厚度為4,介電常數(shù)為1,磁導(dǎo)率為1, 電導(dǎo)率為4.9x107 s/m。參數(shù)定義完后就可以繪制正方形平面螺旋電感線路了，如圖3所示。@圖4放射狀地阻隔層ig. 4 Radial ground separate layer中國煤化工5結(jié)MHCNMHG圖3正方形平面螺旋 電感線路片上天線具有很高的實用價值,通過制造工藝Fig.3 Circuit of plane spiral inductance antennawith square的不斷改進(jìn)，進(jìn)-步采取更為有效的隔離措施，可.第7期RFID中天線的優(yōu)化設(shè)計629.減小各種耦合噪聲及千擾，使片上天線的性能得到mation & Management Enginering, 2009, 31(3): 354-更好的提高。高性能的天線能使接收到的信號更為[11]姜巖峰,張曉波. 8位高速RISC微處理器的設(shè)計[].357準(zhǔn)確,從而能精確地控制相關(guān)電路,實現(xiàn)某- -特定電子與封裝, 2005, 5(5): 25-28.功能。JIANG Y F, ZHANG X B. Design of high-speed 8-bitsRISC microprocesso[J]l. Electronics & Packaging, 2005,5(): 25-28.參考文獻(xiàn): .[12]王娜， 萬全. PCB型Rogowski線圈的誤差分析[J].電[1] CURTY J P, NORBERT J, CATHERINE D, et al. Re-子測量與儀器學(xué)報, 2011, 25(1): 50-55.motely powered addressable UHF RFID integrated sys-WANG N, WAN Q. Eror analysis of PCB Rogowskitem[J]. IEEE Jourmal Of Solid-State Circuits, 2005,coil[]. Journal of Electronic Measuremeat and Instru-40(11): 2193-2202.ment, 2011, 25(1): 50-55.[2]倪昊, 徐元森.非接觸式IC卡天線的CMOS集成化設(shè)[13]袁剛， 王代華. -一種壓電式六維加速度傳感器的快速計[J].功能材料與器件學(xué)報, 2003, 9(2): 195 200.原型及其特性[J].儀器儀表學(xué)報, 2011, 32(2): 356-362.NI H, XU Y S. Design of CMOS compatible on-chip an.YUAN G WANG D H. Principle and characteristics oftenna for contactless smart card[]J.Jourmal of Functionalthe rapid prototype of a piezoelectic six degree of free-Materials and Devices, 2003, 9(2): 195-200.dom accelerometer[J].2011, 32(2): 356 362.[3] 元媛, 姜巖峰.射頻識別(RFID)技術(shù)綜述[J].半導(dǎo)體[14]姜巖峰,謝孟賢.微納電子器件[M].北京:化學(xué)工業(yè)技術(shù), 2006, 311): 801-804.出版社, 2005. .YUAN Y, JIANG Y F Overview of radio frequencyJIANG Y F, XIE M X. Micro-nano electronic de-identification technology[J]. Semiconductor Technology,vices[M]. Beijing: Chemical Industry Publishing House,2006, 31(11): 801-804.2005.[4]姜巖峰 微電子機械系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,15] 趙學(xué)風(fēng)，孫振權(quán),姚秀,李彥明,振蕩沖擊電壓下局部2006.放電檢測系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報, 2010, 31(1):JIANG Y F. Micro-electro-mechanical system[M]. Bei-188-193.jing: Chemical Industry Publishing House, 2006.ZHAO X F, SUN ZH Q, YAO X, et al. Study on partial[5] KO W H, SUMINTO JT, YEHJ G Bonding techniquesdischarge detection system under oscillatory impulsefor microsensors[C]. Micromachining and micropackag-voltage[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,ing of Transducers. Amsterdam, The Netherlands: EI-2010, 31(1): 188-193.sevier, 1985: 41-43.[6] MARTIN A S. Wafer-to- wafer bonding for microstruc-作者簡介:ture formation[J]. Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8):1575- 1585.張東:男，1959年出生,畢業(yè)于清華大學(xué)-分校、首[7] SIEVENPIPER D. High-impedance electromagnetic都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué),研究員。主要研究方向:集成電路設(shè)計與測surface with forbidden frequency band []. IEEE Trans-試技術(shù)研究。actions on Microwave Theory and techniques, 1999:E-mail: bjtestzd@ 139.com2059-2074.Zhang Dong: male, bom in 1959, professor, graduated[8] 李迎松， 楊曉冬,劉乘源,等.共面波導(dǎo)饋電的超寬帶from Tsinghua University (First Division) and Municipal Eco-天線研究[J].電子測量與儀器學(xué)報, 2010, 24(9): 819-nomic Business University. His main research directions include823.LIYs,YANGXD,LIUCHY,etal.ResearchonaVLSI design and IC testing technology.姜巖峰:男, 1972年出生, 2000年蘭州大學(xué)獲博士學(xué)位,CPW-fed ultra- wideband antenna[J]. Journal of Elec-教授。主要研究方向:集成電路設(shè)計與測試技術(shù)研究。tronic Measurement and Instrument, 2010, 24(9):819-823.E-mail: yanfeng. jiang@yahoo.com[9] 鞠家欣, 姜巖蜂,于韶光.基于模擬集成電路BIST的Jiang Yanfeng: male, bom in 1972, professor. He got bhisARMA模塊設(shè)計[J].電子測試2010, 32(2): 56-62.Ph.D degree in Lanzhou University in 2000. His main researchJUJx,JIANGYF,YUSHGetal.DesignofARMAdirections include VLSI design and IC testing technology.module based on bist technology of analog integrated生曉坤:男，1982 年出生,畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué),助理circuit[J]. Electronic Test, 2010, 32(2): 56-62.研究員。主要研究方向:集成電路設(shè)計與測試技術(shù)研究。[10] 呂鋒, 徐宇白.偶極子RFID標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計與研E-mail: hexxs @hotmail.com究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版, 2009,heng Xinnlnm: mole hnm in, 1082 oraduated from North31(3): 354-357.China Univer中國煤化工esearch fllow. His .LV F, XU Y B. Design and development of dipole an-main researchMYHCNMHGandICtstingtechtennas for passive RFID tags[J]. Journal of WUT: Infor-nology..