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1、 第七讲 UHF RFID 标签的设计技术 射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下） i第七章 标签电路及其设计技术 目目 录录 7.1 有源标签和无源标签有源标签和无源标签.1 7.1.1 有源标签有源标签.1 7.1.2 无源标签无源标签.1 7.2 射频能量到直流电源射频能量到直流电源.3 7.3 相关的数据信息相关的数据信息.13 7.4 电子标签的应答电子标签的应答.15 7.5 电子标签的整体设计电子标签的整体设计.24 7.6 封装封装.26 7.7 其他方法其他方法.32 7.8 简要总结简要总结.36 射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下
2、） 17.1 有源有源标签标签和无源和无源标签标签 将物体贴上标签， 我们就能分辨或识别出物体。 当被识别的目标非常昂贵时，该标签的价值就自然更显得重要了。但是，我们对标签价格的忍耐力却很有限，原因是因为贵重对象和我们对其感兴趣都是长期存在的。当对象相对便宜时，标签也肯定会更便宜。 这些都是标签设计的基本动力。依据系统功能的要求，我们可以把标签分为有源标签和无源标签。当然，其价格也就不一样。 7.1.1 有源标签有源标签 一般情况下，对于那些贵重对象（典型的可认为是某种型号的笔记本电脑）上的标签或打算长久使用的标签，往往都是有源标签。一般来讲，有源标签是由本地电池供电，用自己的无线电发射器和接
3、收器进行信息交换。相对于半导体技术来讲，电池技术的发展非常缓慢。因而，设计有源标签的关键问题在于尽量减少占空比标签工作和空闲时间的比值，并尽量减少标签所需消耗的能量。标签所消耗的能量包括用来提供给标签工作、 休眠或者空闲状态所需的能量。 然而，这些都不是微不足道的设计挑战！ 本质上，与阅读器、无线电在内的其他类型无线电一样，有源标签往往包括离散元件和集成电路焊接在一起的印制电路板、 提供供电的电池以及与整个印制电路板紧密粘贴在一起的天线，然后又被封装在一个塑料罩内。 7.1.2 无源标签无源标签 无源电子标签主要是为了识别相对便宜的对象，因此为了避开这种奢侈，必须遵循这种经济禁欲主义。传统的电
4、池过于笨重和昂贵而不予考虑，而传统的无线电发射器或接收器是不值得讨论的，因为有复杂而又昂贵的振荡器、混频器和频率合成器，这些我们在其他章节中非常细致地介绍。 如果标签是由数米远的阅读器提供能量，仅有几微瓦可用的电源能量，那么允许我们考虑的只有廉价、低速电路和简单的逻辑电路。不选用适当的发射器，而是由当前阻抗转变到天线的这个开关 （其功能是起到调制作用） 就已经足够了。单一芯片通常是标签上仅有的电子元件，因此，这个电路就必须是客户基于特殊用途而专门设计出来的。 当然，在早期的 RFID 系统中常常利用离散元器件可以搭建电子标签，并且射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下） 2其
5、内部并不包含有可以供电的电池。 7.1.3 半无源标签半无源标签 制造这样一种专用集成电路（ASIC）的费用是昂贵的，只有具有广泛用途并具有推广价值的集成电路芯片才能使企业基于经济目的而为之投入设计和制造。因此，在有源和无源电子标签这两个极端之间存在有半无源标签，它们包含电池却并不总是工作。 迄今为止，以适中体积设计出来的这种半无源标签，已被为专有用途而成为典型的设计。比如汽车不停车收费系统，就使用比较传统的制造和设计方法，就像为有源标签那样专门运用到了占空比。在通常情况下，电池并不为标签提供能量。只有在某种条件下，电池才为标签提供能量。 图 7.1 展现的是无源标签电路组成部分的简化原理框图
6、。从阅读器产生的900 兆赫兹附近的无线电信号由阅读器天线转换成交流电，标签必须从中提取出电源和信息。然后，这个标签必须解调出所接收得到的数据，或可能需要把相关数据信息写入非易失性内存，并将相关的信息以反向散射信号传送给标签天线，并最终返回到阅读器。 图 7.1 无源 UHF 标签单元框图 射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下） 3下面，我们将会研究一些设计和制造无源超高频 UHF 电子标签中所存在的关键技术问题： 如何从高频无线电信号中提取出供电的电源？ 怎样才能同时获得阅读器已经发送的任何数据信息？ 如何把信息发回到阅读器？ 如何设计和制造所需的集成电路芯片？ 如何由芯
7、片和其他部件组装一个完整的电子标签？ 7.2 射频能量到直流电源射频能量到直流电源 为了能够正常工作，标签集成电路需要的不仅是功率，而是直流（DC）电源。一个电压源必须能够保证时间上保持大致稳定的电压。依据电路中所用晶体管类型，工作电压的幅度一般为 1 到 3 伏，而且能够提供几十微安的电流。该标签需要从接收的射频信号中获得这个直流电源。 由于接收的射频信号的极性每秒改变大约 9 亿次，作为附带条件：在距离阅读器几米远的一个小标签天线只能提供大约只有 0.1 到 0.3V 的开路电压。 要把交流（AC）电压（射频能量）转变为直流电压（DC） ，我们需要一个能够对正负极有不同特性的电子元件。例如
8、二极管。图 7.2 的左侧为二极管的理想化模型：一个允许电流只在一个方向通过的元器件。图 7.2 右侧则为一个更现实化的二极管特性，在通过（正向）方向电流慢慢打开，直至达到开启电压后，通过二极管的电流才开始迅速增加。而在截止（反向）方向上，只有一个小小的泄漏电流流过，并随反向电压增加而增加。 图 7.2 二极管及其伏安特性 射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下） 4实际上通过二极管的电流与加在其两端的电压呈指数关系， 一个合理的近似表达式为： 0(1), (7.1)qV kTII e=上式中I是电流，V是电压，q是一个电子的电荷，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。0I是所讨论
9、的二极管类型所固有的常系数。在常温下，数值qkT /的量值约是0.026 V。所以如果我们把外加电压增加1V，那么通过二极管的电流将会增加： 1/0.02640172.3 10 (7.2)ee 也就是说，正向电流的确随电压增长较快。对于电流的典型值，我们可以把电流突然增加的电压称作开启电压onV。在标准IC工艺设计中有两种常用类型的二极管：面结型二极管，常温下它的饱和电流0I大致为10-10到10-11A/cm2，以及肖特基二极管，对相同的电流密度，对应电压减小大约0.2伏到0.3伏时饱和电流会高出3 7个数量级。 （肖特基二极管更难制造，而且不总是可用的，或者可用时可能会增加成本费用。 ）与
10、二极管类似，晶体管也可以实现整流，只要将晶体管的漏极短接于栅极即可。在这种情况下，开启电压约等于晶体管的阈值电压。 这种晶体管的理想化伏安特性曲线参见图 7.3。 当所有电压低于开启电压onV时通过晶体管的电流为零， 而当外加电压大于开启电压时， 电流可以变得无限大。这样看来，当二极管当作一个具有偏置电压的理想开关时，其偏置电压可由方程（7.1）估计出来，与所需直流电流成对数关系（因而相对缓慢）变化。 有了这些简化器件模型， 让我们仔细研究从集成电路的标签天线提供的射频电压中提取出直流电压的问题。 最简单的方法是放置在与来自天线的高频电流与理想的二极管相串联，其结果应只有在一个方向上电流流过二
11、极管。我们将使用一个电容来存储射频周期之间的电流。 （一个电容器可以用弹簧来比拟。电容两端的电压与已流入它的总电流累积电荷成正比，类似于一个物理中弹簧的总延长或压缩量。 ）我们将用一个负载电阻来表征 IC 的剩余部分，由电容器和二极管的流出电流通过这个负载电阻。整个方案参见图 7.4。 射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下） 5图 7.3 晶体管的理想化伏安特性曲线 图 7.4 基本的整流电路 射频识别技术 西安电子科技大学 尹应增教授 2010（下） 6图 7.5 展示了该电路的工作原理图，并把二极管当作一个理想的整流器。当二极管两端的电压大于onV时，二极管可看作一个闭合开关，只是有一个电压偏置时，电容器和电阻器之间出现一个静电压差)(onpkVV。其中，pkV是信号的峰值电压。在这期间，脉冲流入的电流为电容器充电。 图 7.5 整流电路在开关状态的特性 当二极管上的电压低于onV，二极管关闭。此时由电容流出的电流通过，并对电阻两端提供电位差。电容放电需要的时间等于电容量和阻抗的乘积 RC。如果这个时间比射频周期时间更长，则电源电压在射频周期内将保持大致不变。 下面，让我们来对所需要的元器件值进行简单的估计。假定该射频周期时间大约为（1 / 90
