Mikrovlnné RFID – cesta k miniaturizaci transpondérů

Jedním z omezujících kritérií mnoha aplikací technologie RFID je cena výsledného transpondéru, která je tvořena cenou čipu a antény. Pokud by bylo možné anténu implementovat přímo na čip, lze výslednou cenu snížit až o desítky procent [1]. Protože rozměry anténních struktur přímo odpovídají vlnové délce, pro kterou jsou určeny, jeví se jako perspektivní zvýšit nosný kmitočet pro komunikaci s RFID transpondérem. V tomto článku bude ukázáno, že výroba RFID transpondéru s integrovanou anténou (OCA – On Chip Antenna) v pásmu X může představovat zadání proveditelného vývojového úkolu. Navíc OCA v pásmu X je dobrým kandidátem pro realizaci nízkonákladových bezpečnostních prvků s využitím technologie RFID.

RFID čip

Dostatečný frekvenční rozsah RFID čipu je dán schopností vstupních obvodů usměrnit vstupní vysokofrekvenční signál a tím zajistit napájení logiky čipu, která zpravidla pomocí ASK modulace přenáší data z transpondéru do RFID čtečky. Standardní podoba vstupních obvodů RFID čipu vychází z klasického zapojení násobícího usměrňovače napětí. V RFID čipu je tento násobič realizován nejčastěji pomocí Schottkyho diod, které zaručují funkci usměrňovače s dostatečnou účinností až do frekvencí v řádu jednotek GHz [2].

Protože je násobící usměrňovač realizován pomocí Schottkyho diod a zároveň modulátor tvoří pouze jeden tranzistor, lze předpokládat, že například čip EM4222 bude pracovat i na vyšších kmitočtech, než maximálně 2,45 GHz, jak původně udává datasheet výrobce.

Orientační měření čipu EM4222

Orientační měření frekvenční charakteristiky RFID čipu lze provést experimentálně poměrně snadno.

Na výstup generátoru je připojen přes směrový vazební člen obvod EM4222, který je připájený na konektor SMA. Na výstup vazebního členu je připojen pomocí 1 m dlouhého SMA-SMA kabelu spektrální analyzátor. Postupně je na generátoru navyšován výstupní výkon od hodnoty 0 dBm až do probuzení měřeného obvodu (stav wake-up). Stav wake-up detekuje spektrální analyzátor, na jehož obrazovce se kromě spektrální čáry nosného kmitočtu objeví také dvě čáry postranní (produkty ASK modulace). Tímto způsobem je možné proměřit citlivost čipu (minimální potřebný vstupní výkon signálu) v závislosti na kmitočtu.

Obr. 1 Frekvenční závislost minimální nutné výkonové úrovně čipu EM4222

Jak je patrné z grafu na obr. 1, obvod EM4222 dokáže bez potíží pracovat i na kmitočtu 10 GHz, avšak za předpokladu dostatečné úrovně použitého vysokofrekvenčního signálu přivedeného na jeho vstup.

Prezentované měření je pouze informativní a má za úkol ověřit funkčnost obvodu v pásmu X. Korektní měření citlivosti by vyžadovalo precizní respektování vstupní impedance testovaného čipu, což je výzvou pro následující práci. Výsledky uvedené v grafu na obr. 1 je tak možné považovat za nejhorší odhad – v případě impedančního přizpůsobení se citlivost čipu nezmění nebo zvýší.

OCA – anténa na čipu

V posledních letech se objevují zajímavé práce popisující návrh a výrobu OCA a to především pro realizaci jednočipových systémů pro bezdrátovou komunikaci [3], [4], [5]. Jedna z novějších prací Dr. Behdada [7] představuje zajímavou realizaci OCA v pásmu 9 GHz. Autoři zde prezentují planární anténu vytvořenou standardní CMOS RF technologií 13 μm. Anténa zabírá plochu 0,3 mm2. Zisk této miniaturizované antény je maximální na kmitočtu 9 a 10 GHz, s hodnotu –10 dBm.

Jelikož podkladovým materiálem čipu je křemík, který není pro realizaci vysokofrekvenčních planárních obvodů ideální, rozhodli se tvůrci navrhnout několik stínicích vrstev realizovaných CMOS technologií. Ty mají za úkol vylepšit vysokofrekvenční parametry výsledného substrátu – snížit jeho ztráty. Tímto způsobem byla zvýšena vyzařovací účinnost antény. Průběh zisku samostatné realizované antény je zobrazen na obr. 2

Obr. 2 Citlivost OCA dle [8]

Prezentovaná anténa vykazuje maximální zisk –10 dBi na kmitočtech 9 a 10 GHz. Právě tyto kmitočty se tak stávají kandidáty na nosný kmitočet uvažovaného RFID transpondéru v pásmu X.

Energetická rozvaha RFID transpondéru v pásmu X

Základním předpokladem funkce uvažovaného transpondéru je zajištění napájení čipu pomocí vysokofrekvenčního signálu ze čtečky. Pro ověření realizovatelnosti požadovaného způsobu napájení je vhodné spočítat energetickou rozvahu datového spoje RFID čtečka ↔ RFID transpondér, kde Pr je výkonová úroveň na vstupu RFID čipu [dBm], Pt je úroveň vysílaného signálu čtečky [dBm], Gt je zisk vysílací antény RFID čtečky [dBi], Gr je zisk přijímací antény RFID čipu [dBi] a Lo jsou ztráty vlivem šíření volným prostorem [dB].

Pr = Pt + Gt + Gr – Lo

Ztráty šíření volným prostorem lze vyjádřit následovně:

Kde Lo jsou ztráty šíření volným prostorem [dB], D je vzdálenost mezi anténami RFID čtečky a RFID transpondéru [m], λ je vlnová délka odpovídající nosnému kmitočtu.

Pro naši tuto situaci zvolme následující parametry:

D = 0,1 m

λ = 0,03 m (f = 9 GHz)

Pt = 43,1 dBm (20W generátor)

Gt = 15 dBi (anténa DRH10 [7])

Gr = –10 dBi (OCA)

Pro = 16 dBm (minimální výkonová úroveň EM4222 pro kmitočet 9 GHz).

Po dosazení obdržíme:

Pr = 43+15-10-32 = 16 [dBm]

Jelikož Pr>Pro, energetická rozvaha uvažovaného řetězce byla ověřena a tím i ukázána možnost realizace uvažovaného systému.

Struktura čipu – transpondéru

Jak bylo popsáno výše, úvahy o vzniku RFID transpondéru v pásmu X jsou založeny na měření stávajícího čipu EM4222 a využití OCA dle [6] z původní práce [8]. Umístění antény i struktury RFID čipu na společnou křemíkovou základnu přinese značné snížení výrobních nákladů na výsledný RFID transpondér. Miniaturní RFID transpondér navíc umožní rozšíření aplikací RFID i na objekty, které by nebylo možné z důvodu jejich malých rozměrů efektivně technologií RFID označovat. Využitá plocha křemíku je cca 1,12×0,57 mm.

Závěr

Realizované orientační měření je zatíženo značnou chybou způsobenou nepřizpůsobením vstupní impedance čipu k měřicí aparatuře s charakteristickou impedancí 50 Ω. Tato nekorektnost má za následek naměření nižších citlivostí, než je reálně možné očekávat a to až o 20 dBm. Toto srovnání vychází z porovnání hodnot z datového listu k obvodu EM4222 a naměřené hodnoty pro kmitočet 2,45 GHz [2]. Měření tak slouží spíše pro ověření schopnosti čipu fungovat i na frekvencích v pásmu X.

Korektní měření vstupní impedance umožní přizpůsobit návrh OCA ke stávajícímu čipu. Další možností je kombinovat návrh RF bloku čipu přímo s návrhem planární struktury OCA.

Obr. 3 Kompilovaná topologie RFID transpondéru s OCA v pásmu X s využitím [1] a [8].

Tento článek se věnoval možnostem a výhodám vzniku RFID transpondéru v pásmu X. Bylo ukázáno, že pomocí stávajících technologií je reálné takový transpondér vyrobit. Výsledný transpondér s integrovanou anténou na čipu pak spotřebuje pouze cca 0,64 mm2 křemíku.

Miniaturizace RFID transpondéru pro pásmo 9 GHz by vedla ke snížení celkových nákladů na RFID transpondér, čímž by byly splněny ekonomické požadavky na jeho využití při realizaci nízkonákladových RFID prvků. Jeho malé rozměry by umožnily i rozšíření aplikací RFID na značení různých miniaturních objektů (např. minikontejnery pro chemické či biologické vzorky).