基于极端电磁环境的RFID射频集成电路电磁兼容性设计方法研究

The extreme electromagnetic environment has special requirements on the electromagnetic compatibility of integrated circuit design in RFID tag. In order to reduce the workload of electromagnetic compatibility solution in chip packaging or system design level and shorten the whole research and design periods, it is a reasonable and feasible option to introduce electromagnetic environment model to improve module performance in circuit design stage. The project revolves around the key issue about electromagnetic compatibility RF integrated circuit design approach of RFID tag in smart grid, including analysis and modeling for extreme electromagnetic environment in smart grid power system(Oscillatory waves，Ringing wave) , association with chip key performance specification, proposal of corresponding variation mechanism of the effect by extreme electromagnetic environment, apply the new EMC model to EMC integrated.circuit simulation. It will make possible that the variation of key performance parameters such as sensitivity and signal to noise ratio by extreme electromagnetic environment would be predicted during the integrated circuit stage. According to further improving circuit design and layout structure, an innovative design simulation method is proposed to improve the new EMC problems caused by the extreme electromagnetic environment of smart grid. The research of this science problem would provide accurate electromagnetic model to other.wireless communication chip design in smart grid applications, and fill the gaps in this scientific field, while the proposed design method and process improvements can also be used in other RF front-end design in other extreme electromagnetic environments.

极端电磁环境对RFID芯片设计在电磁兼容性上提出严格的要求，为了减少封装与系统级电磁兼容解决方案的压力，缩短设计周期，在电路设计阶段引入极端电磁环境模型来完善电路设计是合理可行的方案选择。本项目围绕智能电网中RFID射频集成电路电磁兼容设计方法这一关键问题展开研究。包括对智能电网电力系统这一极端电磁环境（阻尼振荡波，振铃波等）进行解析与建模，同芯片各项性能指标建立关联，提出对应的影响变化机理，并将新建模型用于集成电路的EMC设计仿真。从而在芯片设计阶段提前预测极端电磁环境引起的RFID标签芯片灵敏度，信噪比等关键性能参数变化，优化电路设计、版图结构，为改进智能电网等极端电磁环境引起的新的EMC问题提出创新性的设计仿真方法。这一科学问题的研究也能够为智能电网应用的其他无线通信芯片设计提供准确的电磁模型，填补这方面的空白，所提出的设计方法与流程的改进也可应用于其他极端电磁环境下的射频前端设计。

随着芯片功能的多元化和应用环境的复杂化，极端电磁环境对芯片设计在电磁兼容性上提出了更为严格的要求。为了减少封装与系统级电磁兼容解决方案的压力，缩短设计周期，本课题以RFID芯片核心模块设计为例，结合智能电网电力系统极端电磁环境各类干扰源的解析与建模，研究极端电磁环境引起的RFID芯片灵敏度、信噪比等关键性能参数变化的优化技术和设计仿真方法。课题组采用查新、建模、仿真、验证等手段，研究了基于现有国际通用集成电路电磁兼容标准和国内实行高压开关/控制设备等标准中各类干扰源模型的构建方法，建立了引入干扰源后RFID核心模块的仿真设计技术，提出了集成电路电磁兼容试验方法及模拟试验装置。.在电路设计方面，研究智能电网中的复杂干扰信号，引入浪涌冲击干扰、电快速瞬变脉冲干扰、工频磁场干扰、静电放电干扰、振荡波干扰、阻尼震荡磁场干扰等极端电磁环境的干扰源建模，对RFID芯片核心模块关键指标进行设计优化。这一仿真方法和优化技术能够为智能电网应用的其他无线通信芯片设计提供准确的电磁模型，促进电磁兼容性问题芯片级底层设计方法的应用。.在器件建模方面，研究电磁兼容性核心器件---ESD防护能力的提升。在传统GGNMOS器件的基础上探究了影响ESD性能的因素，为了有效利用版图面积，采用叉指型GGNMOS器件，通过分布增加漏极长度来提升ESD防护能力。本课题提出的提升叉指结构器件ESD防护能力的版图设计方法，能够实现在栅源极结构总长度不变、面积相同的条件下更高的ESD防护能力，以达到缓解叉指结构型器件ESD防护时电流非均匀性影响的目的，降低量产芯片因ESD失效的几率。.在芯片测试方面，本课题提出的集成电路电磁兼容试验方法和模拟试验装置，围绕智能电网应用的集成芯片系统测试，能够最小化试验结果与实际电磁环境之间的误差，反映受试集成电路特别是射频集成电路及其应用系统的电磁兼容性能，有效促进集成电路电磁兼容测试技术的发展。