Revision: A Sub-Threshold Microwave RFID Tag Chip, Compatible With RFID MIMO Reader Technology

diseño y la implementación de un chip de etiqueta totalmente integrado para la próxima generación de sistemas RFID pasivos a 5,8 GHz. es compatible con el protocolo de Código Electrónico de Producto (EPC-C1 G2) de clase 1, generación 2. 

se diseñó y optimizó un rectificador diferencial de acoplamiento cruzado de una sola etapa para la sensibilidad y el rendimiento PCE.

presenta el análisis del presupuesto de enlace directo . El análisis completo de los enlaces ascendente y descendente se realizó en detalle en nuestros trabajos previos [13], [14], [15].  

El chip de etiqueta, que incluye el front-end analógico y el procesador digital de banda base, está diseñado en el régimen subumbral (0,5 V) con una corriente de alimentación total inferior a 50 μA. Como unidad de recuperación de energía, se diseñó y fabricó una estructura rectificadora de accionamiento diferencial de una sola etapa con elementos MOS de voltaje umbral estándar (SVT) en un proceso CMOS comercial de 65 nm, para proporcionar 0,8 V de voltaje rectificado. Las mediciones realizadas en la estructura de una sola etapa muestran una eficiencia máxima de conversión de potencia del 69,6 % para una carga de 22 kΩ y una sensibilidad de –12,5 dBm, lo que corresponde a un alcance de lectura superior a 1 m. La eficiencia de conversión de potencia en este alcance es de aproximadamente el 64 %. 

 el trabajo presentado es el único chip transpondedor RFID con Front-End analógico ( AFE) y procesador totalmente integrados, que alcanza un rango de lectura de 25 cm a 5,8 GHz en mediciones preliminares. Cabe mencionar que las mediciones se realizaron sin una implementación de adaptación precisa ni se basaron en ganancias de antena optimizadas.   

1. Chip RFID en 5.8 GHz:
   • Diseñado en 65 nm CMOS.
   • Compatible con el protocolo EPC-C1 G2.
   • Funciona en el régimen de sub-umbral (0.5 V) para minimizar el consumo de energía.
2. Unidad de recolección de energía (Energy Harvesting):
   • Basado en una arquitectura de rectificador de accionamiento diferencial (DDR).
   • Diseñado para convertir la energía de la señal de RF en voltaje DC.
   • Utiliza transistores MOS de umbral estándar (SVT) para operar en 65 nm CMOS.
3. Unidad de gestión de energía (Power Management Unit - PMU):
   • Incluye un regulador LDO de baja caída, operando en la región de sub-umbral.
   • Diseñado para entregar una salida estable de 0.5 V.
   • Bajo consumo de energía: quiescente de 28 nA en el amplificador de error y 48 nA en el LDO.
4. Sistema de Comunicación RFID MIMO:
   • Utiliza modulación ASK (Amplitude Shift Keying) para la transmisión y recepción de datos.
   • Implementa un modulador de retrodispersión (backscattering) para la transmisión de datos.
   • Incluye un detector de envolvente basado en DDR para la demodulación de señales.

Rendimiento del sistema

1. Eficiencia de conversión de energía:

   • Máxima eficiencia de conversión de potencia (PCE) de 69.6% para una carga de 22 kΩ.
   • Sensibilidad de -12.5 dBm, lo que permite un rango de lectura mayor a 1 metro.
   • Eficiencia de conversión de voltaje (VCE) de 80%.

2. Consumo de energía ultra bajo:

   • El chip completo consume 30 μW, permitiendo la operación pasiva.
   • El AFE (Analog Front-End) consume menos de 500 nW.
   • Cero consumo de energía en la transmisión, gracias al uso de un modulador de retrodispersión pasivo.

3. Desempeño en comunicación RFID:

   • Rango de lectura inicial de 25 cm con antena de prueba.
   • Se estima un rango de lectura final de 1 metro con una mejor red de adaptación y antena optimizada.
   • Uso de antena MIMO para mejorar la detección en entornos con multitrayectoria.

4. Comparación con otros sistemas:

   • Mejora en sensibilidad y eficiencia energética en comparación con otras implementaciones en 5.8 GHz.
   • Compite con otras tecnologías RFID a 2.4 GHz, pero con una mejor integración y menor tamaño de antena.
   • Uso de un solo rectificador en puente permite minimizar pérdidas y maximizar eficiencia.