With the recent increase in demand for stationary RFID readers that are used in logistics, shipping, and inventory control, there is a need to reduce their cost and size. To satisfy these industrial demands, power amplifiers (PAs) are required to be manufactured with the CMOS process because it is beneficial to integrate them with various digital control circuits in transmitters.
Stationary RFID readers require power efficiency as well as high output power since the PA consumes the highest power in the transmitter. Additionally, a high output power PA should have low harmonics in the desired frequency band to suppress interference with other application bands. In previous researches, the possibility of a CMOS PA has been successfully demonstrated. However it is still difficult to obtain high power and power efficiency with low harmonics compared with GaAs-based PAs due to the disadvantage of CMOS devices.
To overcome this problem, we chose a two chip solution of a CMOS PA and an integrated passive device (IPD) output transformer. An output transformer based on IPD technology has high quality factor. The advantage of IPD could successfully make up for the disadvantages of CMOS technology. Also, conventional RFID readers are based on I/Q transmitters with ASK modulation schemes with linear PA.
However, linear PA, especially in CMOS technology, suffers from poor efficiency. Therefore to have an efficient RFID reader, we designed a polar transmitter with a class E switching PA to have binary ASK modulation. Here, an analog pulse shaping filter to meet output spectral mask is introduced at the cascode common gate of the switching PA. This allows for a power efficient transmitter.
The presented CMOS PA has 54.9 % PAE when the output power is 33.10 dBm at the center frequency of 910 MHz with 3.0 V $V_{DD}$. Also, the PA satisfies EPC global class-1 gen-2 transmit mask regulation. The output power and power efficiency above 30 dBm and 50 % are achieved when the binary ASK modulated signal is applied in common gate. To the best of the author`s knowledge, the CMOS PA satisfies the requirements for stationary RFID reader application.
RFID 기술은 사물에 부착된 태그로부터 전파를 이용하여 사물의 정보 및 주변 환경을 인식하여 각 사물의 정보를 수집, 저장, 가공, 추적함으로써 사물에 대한 측위, 원격처리, 관리 및 사물간 정보 교환 등 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 이러한 기술은 기존의 바코드를 이용한 관리를 대체하여 유통 및 물품 관리뿐만 아니라 보안, 안전, 환경관리 등에 혁신을 선도할 것으로 전망된다.
이러한 RFID 기술의 발전과 이에 대한 수요 증가로 인한 RFID reader의 소형화와 생산 비용 절감을 위해 CMOS 공정을 이용한 Digital Baseband 회로들과의 집적화를 위한 노력으로 지속적으로 이루어 지고 있다. 수신단의 경우 direct-conversion이나 digital IF 등의 기법을 통해 디지털화, 직접화가 CMOS 를 이용한 각 component 들의 설계와 더불어 많이 진행되고 있으나, 송신단에 있어서는 그 진행이 더디게 이루어지고 있다. 거기에 가장 큰 원인이 되는 부분이 바로 매우 큰 출력 전력을 송출하는 Power Amplifier 이다. Power Amplifier는 동작 자체의 어려움으로 인하여 현재 대부분 화합물 반도체를 이용하여 설계되고 있으며 이는 집적화와 소형화, 생산 비용 절감에 가장 영향을 주는 요소라 볼 수 있다. 그러므로 RFID 기술을 널리 상용화하기 위해서는 CMOS 기술을 이용한 Power Amplifier의 구현이 필수적이다
설계한 CMOS Power Amplifier는 UHF Stationary RFID Reader에 적용 가능 할 수 있도록, 33dBm 이상의 출력전력과 50% 이상의 효율을 나타내며 낮은 다른 주파수 대역에 간섭의 영향을 최소화 하기 위하여 harmonic 특성을 개선하고자 하는 목표로 설계 하였다. 또한 RFID 의 동작 특성을 확인하기 위해 PSF 를 이용하여 binary ASK modulation 된 신호에 대한 출력 특성을 확인하였으며 이의 결과에 대해 본 절에서 제시 하도록 하겠다. TSMC $0.18 \microm$ 공정을 이용하여 CMOS Power Amplifier를 설계하였으며, 출력 정합회로는 IPD 공정을 이용하였다. 측정한 결과는 저자의 지식에 한하여, 현재까지 제시된 UHF 대역에서 동작하는 PA 중 가장 높은 출력전력과 효율을 나타내고 있으며 상용화 되고 있는 화합물 PA와 비교하였을 때 우수하거나 견줄만한 성능을 나타내고 있다
