無(wú)源超高頻RFID應(yīng)答器的設(shè)計(jì).

1、無(wú)源超高頻RFID應(yīng)答器的設(shè)計(jì)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣。由于具有非觸點(diǎn)和非 視距的特性，RFID 特別適用于供應(yīng)鏈的管理。無(wú)源 RFID 在低頻（125 kHz）和高頻（13.56 MHz 市場(chǎng)上出現(xiàn)已經(jīng)有一段時(shí)間了。在 2003 年以前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 UHF RFID 標(biāo)準(zhǔn)。麻省理工學(xué)院汽車(chē)標(biāo)識(shí)中心（Massachusetts Institute of TechnologysAuto-ID Center） （ 位于馬 薩諸塞州劍橋）意識(shí)到了多種專(zhuān)利 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，認(rèn)識(shí)到地方性的協(xié)議會(huì)阻 止 RFID 技術(shù)的發(fā)展和普及。為營(yíng)造互用和國(guó)際性遵從的規(guī)章，就需要單一、開(kāi) 放

2、的標(biāo)準(zhǔn)。他們推薦的下一代 UHF RFID即 Gen 2 標(biāo)準(zhǔn)的前身有兩個(gè)意 義。一旦單一國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)確立下來(lái)，基于UHF RFID 的系統(tǒng)應(yīng)用將更快、使用更方便、價(jià)格更便宜、系統(tǒng)更魯棒；會(huì)出現(xiàn)多供應(yīng)商渠道。該汽車(chē)標(biāo)識(shí)中心 2003 年 6月在瑞士蘇黎世一個(gè)討論會(huì)上提出啟動(dòng) Gen 2 的工作。他們最終將 開(kāi)發(fā)和商業(yè)化該標(biāo)準(zhǔn)的工作轉(zhuǎn)化成 EPCglobal ，2004 年 12 月已將該標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)為860 MHz 到 960 MHZ 第二代 UHF RFID 通訊協(xié)議。從 RFID IC 設(shè)計(jì)角度看，RFID 存在兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)約束：功率可 用性/帶寬和應(yīng)答器的復(fù)雜性。無(wú)源 UHF RFID 應(yīng)答

3、器設(shè)計(jì)要求折衷考慮功率要 求、復(fù)雜性和芯片尺寸等因素，以獲得期望的性能。目前，一些主要國(guó)家對(duì) UHF 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段的頻譜分 配、帶寬和輻射功率的要求差異很大。（輻射功率常被定義為有效的各向同性輻射功率（EIRP）。根據(jù)EPC 全球標(biāo)準(zhǔn)，UHF 頻段范圍從 860 MHz 到 960MHz允許的功率水平為 4W。但不同地區(qū)對(duì) UHF ISM 頻段的要求不同：在 北美，UHF ISM頻段為 902 MHz 到 928 MHz 最大 EIRP 為 4V；在歐洲， UHF ISM 頻段為 865MHz到 868 MHz 最大 EIRP 為 2V；在日本，UHF ISM 頻 段為 95

4、2MHz 到 954 MHz 最大EIRP 為 4W應(yīng)答器的復(fù)雜性是另一個(gè)設(shè)計(jì)約束因素。應(yīng)答器的接收范圍取決于RF IC 片（標(biāo)簽）的最低導(dǎo)通功率（閾值功率）。在 UHF RFID 系統(tǒng)中，無(wú)源反向 散射原理經(jīng)常用在從標(biāo)簽到讀卡器的反向鏈路中?？勺x取范圍常常由從讀卡器 到標(biāo)簽的前向鏈接中標(biāo)簽的可用輻射功率決定，這是因?yàn)榈竭_(dá)讀卡器RF 前端的可用反向散射信號(hào)強(qiáng)度大約為-25-65dBm圖 1:基本的 UHF RFID 應(yīng)答器由整流器、調(diào)制器、解調(diào)器以及處理邏輯電平 協(xié)議和存儲(chǔ)功能的數(shù)字電路。如何選擇合適的工藝來(lái)制造 RFID 應(yīng)答器芯片也是一個(gè)挑戰(zhàn)。為滿(mǎn)足 低功耗要求， 通常使用導(dǎo)通電壓低、 結(jié)

5、電容低以及驅(qū)動(dòng)電流大的肖特基點(diǎn)觸點(diǎn) 型二極管。因?yàn)樯a(chǎn)肖特基觸點(diǎn)的工藝不屬于標(biāo)準(zhǔn)硅CMO 半導(dǎo)體工藝，所以現(xiàn)在正在對(duì)用標(biāo)準(zhǔn)（低成本）數(shù)字體 CMO 工藝制造肖特基觸點(diǎn)進(jìn)行研究。對(duì)更昂 貴工藝的研究也在進(jìn)行，例如可制造高速雙極結(jié)型晶體管（BJT）器件的硅BiCMOS 以及低功耗性能非常優(yōu)異的絕緣硅 （SOI） 技術(shù)。 下面討論設(shè)計(jì)基本 UHF RFID應(yīng)答器所需的 RF 電路關(guān)鍵技術(shù)，包括整流器、調(diào)制/解調(diào)器和數(shù)字模塊等關(guān)鍵模塊。RFID 應(yīng)答器的整流器電路UHF RFID 應(yīng)答器由 4 個(gè)構(gòu)建塊組成：整流器、調(diào)制器、解調(diào)器以 及處理邏輯電平協(xié)議和存儲(chǔ)功能的數(shù)字電路（圖 1）。在無(wú)源 RFID

6、系統(tǒng)中，能量 取自于入射的詢(xún)問(wèn)波。因?yàn)樵?xún)問(wèn)波的能量很少，所以將應(yīng)答器的功率保持在最 小水平非常關(guān)鍵。無(wú)源 RFID 應(yīng)答器利用整流器電路將耦合的電磁波功率轉(zhuǎn)換成芯片所 需的直流電壓。描述整流器電路性能的參數(shù)包括輸入阻抗 Zin 或芯片的品質(zhì)因 子（Q）、芯片的運(yùn)行功率 Pin 和電壓 Vin。整流器電路必須能將入射 RF 能量以 最大效率（n）轉(zhuǎn)換成直流能量。電路設(shè)計(jì)工程師必須在維持高轉(zhuǎn)換效率的同 時(shí)，獲得最大的輸出電壓及輸入阻抗。普通的全波整流器和 Dickson 電荷泵為 兩個(gè)常用的整流結(jié)構(gòu)。采用兩個(gè)二極管級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的全波整流器很常見(jiàn)。此外還存在這種結(jié)構(gòu)的變體，包括一些基于 NMO 和 PM

7、O 開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)。最主要的是，全波整流 器的效率很高。但是，全波整流器要求輸入電壓超過(guò) 3 VTH 這樣芯片可以輸 出期望的輸出電壓。因此，全波整流器電路在 UHF RFID 應(yīng)用中的工作范圍有 限，除非它帶有高輻射電阻天線(xiàn)和高 Q 值匹配網(wǎng)絡(luò)，以便對(duì)輸入電壓進(jìn)行放 大。匹配網(wǎng)絡(luò)的 Q 值一般只為 10 量級(jí)。圖 2: Dicks on 電荷泵是 UHF RFID 整流器電路的一種可選結(jié)構(gòu)，圖中是 Dickson 電荷泵的工作原理圖。UHF RFID 整流器電路的另一種可選結(jié)構(gòu)是 Dickson 電荷泵（圖 2），它主要用在非易失性存儲(chǔ)器中，以產(chǎn)生EEPRO 電路所需的高編程電壓。因?yàn)榇蠖鄶?shù) R

8、FID 芯片也包含非易失性存儲(chǔ)器，所以設(shè)計(jì)工程師可以重用該電路拓 撲，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生高電壓的電路，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。Dickson 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化等式如式 1。其中，Vp,RF =輸入 RF 信號(hào)幅度，Vf,D=二極管正向壓降Dickson 電荷泵幾乎可用任何半導(dǎo)體器件來(lái)構(gòu)建，但采用肖特基二極管和低閾值電壓（VTH ） MOSFE 的設(shè)計(jì)具有最佳性能。Dicks on 電荷泵電 路要求輸入電壓很小，設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)控制級(jí)數(shù)（N）來(lái)選擇想要的輸出電壓和輸入阻抗。但由于整流器件數(shù)量多，并存在泄漏電流和寄生參數(shù)， Dickson 電荷泵的功率轉(zhuǎn)換效率較低。RFID 應(yīng)答器的調(diào)制器和解調(diào)器RFID 調(diào)制器將應(yīng)

9、答器數(shù)據(jù)發(fā)送到 RFID 詢(xún)問(wèn)器或讀卡器。反向散射 調(diào)制被專(zhuān)門(mén)用在 UHF RFID 系統(tǒng)中。EPC Gen2 協(xié)議定義了幅移鍵控（ASK）和 相移鍵控（PSK 兩個(gè)調(diào)制方案。在 ASK 調(diào)制方案中，兩個(gè)阻抗?fàn)顟B(tài)（只改變純 電阻，開(kāi)路或短路或等于兩個(gè)非零電阻 ）在兩個(gè)天線(xiàn)引腳之間互相切換。用戶(hù)可 以選擇任何一個(gè)狀態(tài)來(lái)表示邏輯 1 或 0。在 PSK 調(diào)制方案中也有兩個(gè)受控的阻 抗?fàn)顟B(tài)，但只改變虛部值。為在兩個(gè)虛部電抗值之間切換，設(shè)計(jì)工程師常常使 用大 MOSFE 或帶壓敏電容的變?nèi)荻O管。圖 3：天線(xiàn) /RFID 芯片連接的簡(jiǎn)單等效電路可用電抗與電阻并聯(lián)來(lái)表示。在 UHF RFID 芯片設(shè)計(jì)中

10、，天線(xiàn)端的等效阻抗可用電抗與電阻并聯(lián) 來(lái)表示 （圖 3）。假設(shè)天線(xiàn)具有最小散射，則反向散射功率由式2 表示：其中，PEIRP=t 效的全向輻射功率，RA=線(xiàn)電阻，R=芯片電阻，Ae=t效的雷達(dá)截面（RCS 面積。在 ASK 調(diào)制中，天線(xiàn)端的等效阻抗為實(shí)數(shù)（X R），并在 R1 和 R2之間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制。為使兩個(gè)狀態(tài)具有一樣的阻抗失配，選擇 R1XR2=R2A就足夠了。此時(shí)，在這兩個(gè)狀態(tài)中從天線(xiàn)傳送到負(fù)載的功率相 等。假設(shè) R2R1 為調(diào)制天線(xiàn)端的等效電阻，可以使用一個(gè)由數(shù)據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的 開(kāi)關(guān)，將電阻 RMO 與應(yīng)答器輸入電阻（R2）并聯(lián)，這樣 R1=R2|RMOD 當(dāng)不接電 阻 RMO

11、時(shí)，從天線(xiàn)等效的電阻等于 R2,從天線(xiàn)傳送到負(fù)載的所有功率 PIN2 都 可用來(lái)給應(yīng)答器供電。當(dāng)連接 RMO時(shí)，天線(xiàn)端的等效電阻等于 R1,從天線(xiàn)傳 送到負(fù)載的功率 PIN 的一部分可以用來(lái)為發(fā)射應(yīng)答器供電，其余功率消耗在電 阻 RMO 上。當(dāng) PIN2 等于 PIN1 時(shí)，R 仁 R2因此，從設(shè)計(jì)角度看，在 ASK 機(jī) 制中不可能為標(biāo)簽 IC 提供恒定功率。相應(yīng)的等式為：其中，PAV 平均功率，Ae=t效 RCSS積。在 PSK 調(diào)制方案中，R= RA 這樣應(yīng)答器近似處于匹配狀態(tài)，虛部 分量 X與數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。反向散射信號(hào)的相位信號(hào)9由式 4 確定：如果對(duì) X 進(jìn)行以零為中心的對(duì)稱(chēng)調(diào)制，

12、則應(yīng)答器的輸入功率PIN 在調(diào)制期間保持不變，由式 5 確定：大多數(shù) PSK 調(diào)制器允許用輸入信號(hào)對(duì)輸出電容進(jìn)行調(diào)制。應(yīng)答器中變 化的電抗分量常常是容性的，因?yàn)檫@更節(jié)省 IC 面積，并能獲得高 Q 值。與 IC 制造工藝中的感性元件相比，它的 Q 值很小，而且?guī)缀醪徽济娣e。在應(yīng)答器前 端，當(dāng)信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，可采用匹配網(wǎng)絡(luò) （感性元件），以便與在調(diào)制器輸出端等效的電容平均值發(fā)生諧振，因此：其中，C1=S輸入信號(hào)等于 1 時(shí)的調(diào)制器輸出電容，C2=S輸入信號(hào)等 于 0時(shí)的調(diào)制器輸出電容。天線(xiàn)端的等效平均電抗 （X） 包括微分電容分量，并由式 7 確 定：在 ASK 和 PSK 的實(shí)現(xiàn)中，調(diào)制方案的

13、選擇將影響芯片的輸入阻抗、位 誤碼率（BER 和應(yīng)答器的輸入功率。應(yīng)答器的輸入功率也是限制工作范圍的最 關(guān)鍵因素。因此，盡管 ASK 具有面積更小、性能與頻率無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，但由于 PSK 能為應(yīng)答器提供恒定電源，所以設(shè)計(jì)工程師通常更愿意選擇PSK解調(diào)器被用來(lái)將 RF 載波中的數(shù)字信息解調(diào)出來(lái)。因?yàn)槌杀竞碗娐?板面積是主要的考慮因素，所以一般不考慮昂貴的相干檢測(cè)/ 超外差檢測(cè)。與幅度調(diào)制（AM/ASK 兼容的調(diào)制機(jī)制（DSBASKSSB-ASI 和 PR-ASK 是詢(xún)問(wèn) 器-標(biāo)簽調(diào)制方案的實(shí)際選擇，正如 EPC Gen2 協(xié)議所定義的那樣。對(duì) ASK 兼容 信號(hào)進(jìn)行解碼所需的模擬元件是類(lèi)似的， 也

14、是整流器和比較器。 有些系統(tǒng)采用 脈寬調(diào)制（ PWM， ）因此除了使用包絡(luò)檢波器外，這些系統(tǒng)中的解調(diào)器必須測(cè)量 輸入信號(hào)的脈寬，并利用脈寬甄別器區(qū)分信號(hào)中的數(shù)字 1 和數(shù)字 0 信息，否則 數(shù)字模塊必須區(qū)分基于不同編碼的脈沖。ASK 采用最簡(jiǎn)單的 RF 檢波，它使用了一個(gè)用二極管電容網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)的基本包絡(luò)檢波器。ASK 解調(diào)器將以幅度變化形式存在的信息解調(diào)出來(lái)。解 調(diào)器實(shí)際上是一個(gè)邊沿檢波器。在 RFID 系統(tǒng)的前向鏈路中不采用 PSK 因?yàn)?PSK 解調(diào)采用了超外差檢波，需要本振（L0）、混頻器和濾波電路，這些電路 非常復(fù)雜，而且需要很大的裸片面積。圖 4： RFID 應(yīng)答器的邏輯內(nèi)存映射。解

15、調(diào)器的工作原理是：輸入載波通過(guò)整流器和包絡(luò)檢波器，獲得其 包絡(luò)信息；包絡(luò)檢波器后面的低通濾波器屏蔽載波上其余的紋波噪聲；隨后信 號(hào)被饋送到遲滯比較器，產(chǎn)生輸出。在邊沿檢波設(shè)計(jì)中必須考慮三個(gè)因素：低 通濾波、比較器的遲滯性和比較器的靈敏度。RFID 讀卡器決定了給數(shù)據(jù)率加標(biāo)簽、編碼和包絡(luò)屏蔽期間的低通濾波參數(shù)。濾波器帶寬應(yīng)該小于信號(hào)帶寬。有 關(guān)數(shù)據(jù)包絡(luò)的規(guī)范在 RFID 空中接口協(xié)議中有說(shuō)明。比較器必須滿(mǎn)足 UHF RFID 應(yīng)答器解調(diào)器定義的性能要求。應(yīng)答器 輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)根據(jù)不同的物理區(qū)域，在幾百毫伏到幾伏左右變化。包 絡(luò)檢波器和低通濾波器后面的信號(hào)應(yīng)具有相同的幅值范圍。比較器的性能指

16、標(biāo) 包括比較器的共模輸入電平，以及以共模輸入電平百分比表示的差模輸入電 平。比較器的另一個(gè)重要參數(shù)是遲滯性。當(dāng)模擬輸入信號(hào)緩慢移動(dòng)或者 包含噪聲時(shí)，但輸入信號(hào)處于閾值點(diǎn)附近時(shí)，比較器輸出可能發(fā)生振蕩。利用 遲滯性可使輸出轉(zhuǎn)換期間的振蕩最小，但高遲滯性也意味著靈敏度下降、轉(zhuǎn)換 速度變慢。RFID 應(yīng)答器的數(shù)字控制模塊數(shù)字控制模塊處理詢(xún)問(wèn)命令、執(zhí)行防沖突協(xié)議、進(jìn)行數(shù)據(jù)總校驗(yàn)、運(yùn)行存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作，并執(zhí)行輸出控制和數(shù)據(jù)流動(dòng)。EPC Gen2 標(biāo)準(zhǔn)的命令組很復(fù)雜，需要使用復(fù)雜的數(shù)字核。根據(jù)用戶(hù)需求，如果要實(shí)現(xiàn)全部的 Class 1（包括讀寫(xiě) ） 性能，則需要非易失性存儲(chǔ)器。詢(xún)問(wèn)器利用三種基本操作管理標(biāo)簽

17、組。這些操作中的每一個(gè)都包含 一個(gè)或多個(gè)命令。這些操作定義如下：1 選擇過(guò)程是詢(xún)問(wèn)器選擇 RFID 標(biāo)簽組用于編目和讀寫(xiě)的過(guò)程。在編目之前，詢(xún)問(wèn)器可能使用一個(gè)或多個(gè) 選擇命令來(lái)選擇某一特定標(biāo)簽組。2編目過(guò)程是詢(xún)問(wèn)器識(shí)別不同標(biāo)簽的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)器通過(guò)以發(fā)射四個(gè) 節(jié)中的一個(gè)之一發(fā)射查詢(xún)命令，開(kāi)始編目過(guò)程。一個(gè)或多個(gè) RFID 標(biāo)簽可能回 答。詢(xún)問(wèn)器檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)標(biāo)簽回答后，請(qǐng)求該標(biāo)簽的PC EPC 和 CRC-16 每次只能一個(gè)節(jié)進(jìn)行編目操作。3 讀寫(xiě)過(guò)程是詢(xún)問(wèn)器與單個(gè)標(biāo)簽交互問(wèn)答 （讀或者寫(xiě) ）的方法。在 讀寫(xiě)之前，單個(gè)標(biāo)簽必須惟一標(biāo)識(shí)。讀寫(xiě)包括多個(gè)命令，其中有些使用了 R = T 連接的一次基于焊

18、盤(pán)覆蓋編碼。與讀卡器命令一致，標(biāo)簽將把其內(nèi)部狀態(tài)以 7 個(gè)響應(yīng)中的一個(gè)發(fā) 送:Ready， ArbitRAte, Reply， Acknowledged， Open, Secured 和 Killed 。標(biāo)簽可能同時(shí)支持多達(dá) 4 個(gè)會(huì)話(huà)，使其可將分離的和編目的標(biāo)簽連接 至目前環(huán)境下的各個(gè)讀卡器。該標(biāo)簽通過(guò)分時(shí)，使不同的讀卡器分享其他的標(biāo) 簽。雙向沖突檢測(cè)和排除控制由詢(xún)問(wèn)器和標(biāo)簽來(lái)處理。在編目階段，詢(xún)問(wèn)器首 先發(fā)出 Query 命令，一旦接收，標(biāo)簽將把產(chǎn)生的 15b 隨即數(shù)（RNG 代碼從內(nèi)部 裝入其槽計(jì)數(shù)器。如果裝載的 RNG 為零，標(biāo)簽將通過(guò)把它本身的代碼反射回輪 詢(xún)器的辦法來(lái)回答輪詢(xún)器。如

19、果裝載的 RNG為零，標(biāo)簽保持原來(lái)的狀態(tài)。讀 卡器則給標(biāo)簽發(fā)送另一個(gè) QueryRep 旦接收到，標(biāo)簽將減少其槽計(jì)數(shù)器數(shù)， 并且當(dāng)值變?yōu)榱銜r(shí)回復(fù)。如果發(fā)送 Query 或 QueryRep命令后沒(méi)有檢測(cè)到?jīng)_突， 詢(xún)問(wèn)器將給標(biāo)簽發(fā)回ACK 應(yīng)答）命令。標(biāo)簽接收 ACK命令后將變?yōu)閼?yīng)答狀態(tài)，準(zhǔn)備接收下一個(gè)命令。詢(xún)問(wèn)器將記錄已成功輪詢(xún)的標(biāo)簽。如果回復(fù)后，標(biāo)簽沒(méi) 有從讀卡器接收到 ACK 命令，就回到 Arbitrate 狀態(tài)，減小槽計(jì)數(shù)器的值。沖 突控制機(jī)制基本上取決于裝入槽計(jì)數(shù)器的RNGfi。因?yàn)榭梢曰貜?fù)詢(xún)問(wèn)器可能性為 215，所以不同標(biāo)簽可以以時(shí)分交替方式共享通信。標(biāo)簽存儲(chǔ)器分為四個(gè)不同的組，每

20、一個(gè)都包含 0 或者更多的存儲(chǔ)字（ 見(jiàn)圖 4） ：1包含取消和讀取密碼的保留存儲(chǔ)器。2包含有一個(gè) CRC-16 協(xié)議控制（PC）位的 EPC 存儲(chǔ)器，以及標(biāo) 簽連接或?qū)⑦B接的用來(lái)標(biāo)識(shí)物體的電子產(chǎn)品碼 （EPC）。3. TID 存儲(chǔ)器包含有一個(gè) 8-b ISO/IEC 15963 分配類(lèi)標(biāo)識(shí)，用 于詢(xún)問(wèn)器惟一標(biāo)識(shí)常規(guī)命令和 /或標(biāo)簽支持的可選功能。4. 允許用戶(hù)定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的用戶(hù)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)由用戶(hù)定 義。所有內(nèi)存條的邏輯地址從零（00h）開(kāi)始編址。 物理內(nèi)存映射由銷(xiāo) 售商定義。在 EPC Gen2 協(xié)議中， 標(biāo)簽設(shè)計(jì)工程師可以自由選擇 ASK 或者 PSK的反射調(diào)制，詢(xún)問(wèn)器（讀卡器）必須能支持任何一個(gè)類(lèi)型的解碼。除了選擇 調(diào)制類(lèi)型外，要發(fā)送的數(shù)據(jù)還必須被編碼成FM0 基帶或者 Miller 調(diào)制信號(hào)。數(shù)字模塊應(yīng)該根據(jù)編碼選擇，插入合適的前同步信號(hào)序列。