UHFRFID系統(tǒng)和設(shè)計難點簡介

【摘 要】本在對RFID 做了簡單的介紹之后，對UHF RFID設(shè)計中存在的難點從芯片設(shè)計、天線設(shè)計方面進行了分析和討論。

【關(guān)鍵字】UHF RFID； 芯片設(shè)計；天線設(shè)計； RFID標簽

Abstract：The UHF RFID system is briefly introduced， and the chip design and the antenna design of UHF RFID system are analysed and discussed.

Key words： UHF RFID； chip design；antenna design； RFID tags

引言

自從20世紀40年代RFID的概念提出至今，RFID已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展。目前，各種頻段、各種協(xié)議及各種工作方式的標簽及閱讀器已經(jīng)在各種應(yīng)用場合得到應(yīng)用。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是直接利用雷達技術(shù)發(fā)展起來的一種新的自動識別技術(shù)，其最早的應(yīng)用追溯到第二次世界大戰(zhàn)中飛機的敵我目標識別，但是由于技術(shù)和成本原因，一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。1948年斯托克發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了射頻識別RFID的理論基礎(chǔ)。

RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非視距識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享，RFID技術(shù)應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè)，可大幅提高管理與運作效率，降低成本。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善和成熟，RFID技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，被認為是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[1]。

一、 UHF RFID簡介

按照能量供給方式的不同，RFID標簽分為有源、無源和半有源三種。無源標簽沒有內(nèi)置電池，標簽在閱讀器的閱讀范圍內(nèi)從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電能。半無源標簽內(nèi)裝有電池，但電池僅對標簽內(nèi)標簽那要求供電維持數(shù)據(jù)的電路或者標簽芯片工作所需的電壓作輔助支持，標簽電路本身耗電很少，只有進入閱讀器閱讀范圍內(nèi)才被射頻能量激活，利用閱讀器的能量進行數(shù)據(jù)通訊，其余時間處于休眠狀態(tài)。有源標簽的工作電源和上行通訊所需能量完全來自于自帶的電池。由于無源標簽不需要外接電池，所以其成本、體積和可靠性優(yōu)于其它兩類標簽[2]。

按照工作頻率的不同，RFID標簽分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波頻段（MW）的標簽。低頻標簽的典型工作頻率在125KHz～134KHz之間，波長較長，可以穿透大部分物體讀取標簽，但是數(shù)據(jù)率比較慢，作用距離小于1m，主要用于畜牧業(yè)的管理系統(tǒng)；高頻標簽指工作于13.56MHz的標簽，通訊速率比低頻標簽高，能勉強透過金屬和液體讀取數(shù)據(jù)，識別作用距離小于1m，由于低廉的價格和成熟的技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛地用于各種門禁和收費系統(tǒng)；超高頻標簽通常工作頻率在860MHz～960MHz之間，具有作用距離遠（典型3m～10m），成本低，通訊速度快等優(yōu)勢，是目前RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點，并有望在未來5年內(nèi)成為主流[1]。微波波段的標簽工作在2.45GHz以上的頻率，目前在部分國家已經(jīng)得到應(yīng)用，主要用在一些不停車收費系統(tǒng)。

本文主要針對無源UHF RFID系統(tǒng)進行分析和研究。

基本的UHF RFID系統(tǒng)由四部分組成，如圖1所示：

標簽：由芯片和印制天線封裝而成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上，標識目標對象；

閱讀器：按照規(guī)定的標準，完成標簽的查詢和讀寫操作，并向上層數(shù)據(jù)庫發(fā)送標簽數(shù)據(jù)；

天線：在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號和能量；

數(shù)據(jù)庫：完成與標簽數(shù)據(jù)相關(guān)的信息查詢和管理。

UHF RFID系統(tǒng)的通訊過程可以分為兩個層次，一是底層的閱讀器與標簽之間的通訊過程，二是閱讀器與后臺數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用體系之間的通訊。閱讀器在一定的標準規(guī)定下，通過空氣接口讀取標簽唯一的電子編碼，然后通過網(wǎng)絡(luò)將標簽數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機的數(shù)據(jù)庫中進行查詢，獲得該標簽相關(guān)的詳細信息。通過互聯(lián)網(wǎng)，可以在全球范圍內(nèi)對電子標簽進行跟蹤查詢和管理。

UHF RFID標簽與閱讀器之間的通訊原理與雷達的工作原理類似。閱讀器向標簽發(fā)射高頻電磁波，一部分能量被標簽天線接收轉(zhuǎn)換為標簽本身的工作能量，另外一部分會反射回空間中被閱讀器的接收天線收集。閱讀器和標簽之間的通訊是半雙工的，在整個通訊過程中，閱讀器是會話的發(fā)起者。

標簽與閱讀器之間的通訊過程是：首先向標簽發(fā)送一段時間的高頻連續(xù)波（continuous-wave，簡稱CW），為UHF RFID標簽提供啟動所需能量，使標簽完成上電過程，然后閱讀器將一系列的命令和數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻電磁波中，標簽將命令解調(diào)后，通過改變芯片自身的阻抗改變天線的反射系數(shù)，將標簽的信息調(diào)制到反射波上。閱讀器通過接收和解調(diào)標簽反射回來的電磁波可以獲得標簽的數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)遠距離范圍多標簽的可靠讀寫，標簽的與閱讀器之間還需進行數(shù)據(jù)編碼，差錯校驗，并采取防沖撞機制實現(xiàn)對多個標簽進行識別。

二、UHF RFID標簽設(shè)計中的難點

（一）芯片設(shè)計

標簽中的芯片設(shè)計是最核心的部分。標簽芯片屬于小規(guī)模的片上系統(tǒng)（SOC），包含了射頻、模擬、數(shù)字基帶和存儲器模塊，設(shè)計復雜度很高，而且必須要保證微功耗，圖2所示為標簽芯片的基本架構(gòu)。市場上普通的UHF RFID標簽靈敏度一般為-14dBm～-16dBm，由此可以大致推算出芯片的功耗在10～20微瓦（指進入芯片的能量）。

高效的倍壓整流電路是無源UHF RFID標簽芯片能量的來源，一般的倍壓整流電路都采用基于肖特基二極管的電荷泵結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的整流效率不高，一般為25%～40%，最新的研究是基于MOS管的電荷泵電路，閾值補償技術(shù)的應(yīng)用可以很好的解決由于閾值損失而是輸出電壓過低的問題，并且整流效率可以達到40%～50%。更高整流效率的倍壓整流電路仍然是目前芯片設(shè)計的重點之一[3]。

穩(wěn)定的時鐘電路是基帶工作的必要條件，然而由于UHF RFID的特殊性，要獲得精準的時鐘并不容易。由于電源電壓不穩(wěn)定，工藝、溫度等的變化，使時鐘會偏離設(shè)計的頻率，而通信協(xié)議對反向時鐘有明確的規(guī)定，如果時鐘偏差過大，則標簽就不會被閱讀器識別?？梢杂袃煞N途徑來解決時鐘的問題：1、采用時鐘校準技術(shù)，但是這種方法會增加芯片的復雜度和標簽的成本；2、利用基帶的算法，拓寬對時鐘的要求，在時鐘有偏差的情況下，依然可以得到滿足協(xié)議要求的反向鏈路時鐘。

高精度的解調(diào)電路，穩(wěn)定的電源穩(wěn)壓電路，flag保持電路等模塊也是芯片設(shè)計的難點。低功耗的數(shù)字基帶、存儲器也是研究的熱點[4]。

（二）天線設(shè)計

RFID依靠無線技術(shù)進行能量獲取和信息交互，而無線電波的發(fā)射與接收必須依靠天線來完成，天線被看作是無線電波的出口與入口，因此天線技術(shù)也是RFID標簽設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一。標簽天線的尺寸、增益、帶寬、阻抗、成本等眾多因素相互制約，針對不用應(yīng)用領(lǐng)域的標簽天線需要充分考慮上述因素并進行折中才能得到最優(yōu)的設(shè)計[5] 。

RFID標簽包含天線和芯片，二者均具有復數(shù)阻抗。對于無源標簽來說，因為標簽工作所需全部能量來源于閱讀器發(fā)射的射頻信號，所以天線和芯片之間能否實現(xiàn)良好的匹配和功率傳輸，直接影響到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，也很大程度上決定了標簽的關(guān)鍵性能。目前已有的阻抗匹配方法大都較為復雜[6]，用于 RFID芯片時標簽識別準確率并不理想[7]。

結(jié)束語

本文對RFID系統(tǒng)的原理做了簡單介紹后，重點對在標簽芯片和天線設(shè)計兩方面的難點進行了分析和討論。

參考文獻：

[1]中國射頻識別（RFID）技術(shù)政策白皮書[M]. 中華人民共和國科學技術(shù)部等十五部委. 2006年6月

[2] Rao K V S， Nikitin P V， Lam S F. Antenna design for UHF RFID tags：a review and practical application[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005， 53（12）： 3870-3876.

[3] Foster P R， Burberry R A. Antenna problem in RFID systems[J]. IEE Colloquium on RFID Technology. 1999： 3/1-3/5.

[4] Chen L Y， Mao L H， Wu SH， et al. A Novel Impedance Matching Approach for Passive UHF RFID Transponder ICs[J].Journal of Semiconductors. 2008， 29 （3）： 516-520.

[5] Namjun Cho， Seong-Jun Song， Sunyoung Kim， Shiho Kim and Hoi-Jun Yoo， “A 5.1μW UHF RFID Tag Chip integrated with Sensors for Wireless Environmental Monitoring” [C]， Proceedings of ESSCIRC， Grenoble， France， 2005， pp. 279-282

[6] Xi J， Yan N， Che W， et al. On-chip antenna design for UHF RFID[J]. Electronics Letters. 2009， 45（1）： 14-16.

[7] Lin J J， Wu H T， Su Y， et al. Communication Using Antennas Fabricated in Silicon Integrated Circuits[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2007， 42（8）： 1678-87.

作者簡介：

王西均，（1964.08—），河南鞏義人，大專，研究方向：電子信息監(jiān)測與計算機控制