UHF RFID標(biāo)簽的模擬射頻前端設(shè)計(jì)方案

引言

超高頻無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)具有非接觸式、識(shí)別速度快、作用距離遠(yuǎn)、存儲(chǔ)容量大、可多卡識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、交通、物流等行業(yè)。UHF RFID無源標(biāo)簽芯片作為超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心組成部分，近年來一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。研究和設(shè)計(jì)低功耗、小尺寸、高動(dòng)態(tài)范圍的模擬射頻前端，可以解決UHF RFID標(biāo)簽芯片的關(guān)鍵技術(shù)難題，并推動(dòng)超高頻標(biāo)簽芯片快速發(fā)展。

一、UHF RFID系統(tǒng)工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

UHF RFID系統(tǒng)主要由后臺(tái)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、RFID閱讀器和電子標(biāo)簽三部分組成。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的電磁場(chǎng)范圍時(shí)，通過天線接收射頻能量，利用整流電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流，為內(nèi)部電路供電。標(biāo)簽的ASK（Amplitude Shift Keying）調(diào)制/解調(diào)電路用于解調(diào)接收到的射頻脈沖中的指令和數(shù)據(jù)，并傳輸至基帶數(shù)字電路。數(shù)字電路則根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，如狀態(tài)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀寫功能。

整個(gè)系統(tǒng)分為模擬射頻前端和數(shù)字控制兩大部分。模擬射頻前端主要實(shí)現(xiàn)電源產(chǎn)生、調(diào)制/解調(diào)、時(shí)鐘產(chǎn)生、上電復(fù)位等功能；數(shù)字控制部分控制著標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)的流向，按照接收到的指令，控制標(biāo)簽進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及返回所需要的內(nèi)容，包括命令解析、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀/寫等功能。

二、模擬射頻前端模塊設(shè)計(jì)

1. 整流電路

整流電路是將天線感應(yīng)到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流能量的關(guān)鍵。多級(jí)整流電路由二極管和耦合電容組成，其輸出電壓受輸入射頻信號(hào)幅度、二極管正向電壓以及整流級(jí)數(shù)影響。整流電路的設(shè)計(jì)需要平衡整流效率和功耗，確保在微弱的射頻信號(hào)下也能產(chǎn)生足夠的直流電壓供內(nèi)部電路使用。

2. 穩(wěn)壓電路

為保證標(biāo)簽在不同距離下的正常工作，穩(wěn)壓電路至關(guān)重要。它通過誤差放大器和調(diào)整管來維持輸出電壓的穩(wěn)定，即使接收功率有大范圍變化，也能確保芯片工作的動(dòng)態(tài)范圍。穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)需要考慮低功耗和穩(wěn)定性，確保在各種環(huán)境下標(biāo)簽都能穩(wěn)定工作。

3. 上電復(fù)位電路

在電源建立后，上電復(fù)位電路提供啟動(dòng)信號(hào)，使數(shù)字電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。電路設(shè)計(jì)確保了電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的上升沿和下降沿。上電復(fù)位電路是標(biāo)簽芯片啟動(dòng)和初始化的關(guān)鍵，確保在電源穩(wěn)定后，數(shù)字電路能夠正確開始工作。

4. 解調(diào)電路

ASK解調(diào)電路采用包絡(luò)檢波方式，適用于18000-6C/B標(biāo)準(zhǔn)，能有效處理40kHz至160kHz頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，保持低脈寬失真。解調(diào)電路的設(shè)計(jì)需要優(yōu)化包絡(luò)檢波電路和比較器的性能，確保在復(fù)雜環(huán)境下仍能準(zhǔn)確解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào)。

5. 時(shí)鐘產(chǎn)生電路

時(shí)鐘產(chǎn)生電路為數(shù)字電路提供穩(wěn)定的工作時(shí)鐘。它通常由環(huán)形振蕩器和溫度補(bǔ)償電路組成，確保在不同溫度和電壓下，時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。時(shí)鐘產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)需要考慮低功耗和高穩(wěn)定性，確保標(biāo)簽在各種條件下都能正常工作。

三、主控芯片型號(hào)及在設(shè)計(jì)中的作用

在UHF RFID標(biāo)簽的模擬射頻前端設(shè)計(jì)中，主控芯片的選擇至關(guān)重要。它決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能、功耗和成本。以下是一些常用的主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用：

1. AS3992

AS3992是奧地利微電子推出的一款高性能UHF頻段的讀寫器芯片，它集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬前端，并且內(nèi)置了ISO18000-6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)。在UHF RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中，AS3992可以作為讀寫器芯片，與標(biāo)簽進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。它的高性能和多功能性使得整個(gè)RFID系統(tǒng)具有更遠(yuǎn)的識(shí)別距離、更快的通信速度和更高的穩(wěn)定性。

2. FM13UF系列

FM13UF系列是上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司推出的UHF RFID標(biāo)簽芯片。該系列芯片具備超可靠、快速數(shù)據(jù)寫入和讀取功能，顯著提升了標(biāo)簽盤點(diǎn)成功率和識(shí)讀距離。在UHF RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)M13UF系列芯片可以作為標(biāo)簽芯片，存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)。它的低功耗和高靈敏度使得標(biāo)簽?zāi)軌蛟谖⑷醯纳漕l信號(hào)下正常工作，并且具有較長(zhǎng)的使用壽命。

3. X-RFID?芯片

X-RFID?芯片是四川凱路威科技有限公司推出的UHF RFID芯片。該芯片憑借其“四高一低”（高靈敏度、高安全、高可靠、高良率，低成本）的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)上脫穎而出。在UHF RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)中，X-RFID?芯片可以作為標(biāo)簽芯片，提供高性能和低成本的解決方案。它的超低功耗永久存儲(chǔ)器（XLPM）技術(shù)不僅提升了性能，還極大地降低了成本，非常貼合國(guó)內(nèi)RFID應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

四、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在UHF RFID標(biāo)簽的模擬射頻前端設(shè)計(jì)中，通常采用Cadence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)和TSMC的0.18微米CMOS混合信號(hào)工藝進(jìn)行模擬射頻前端的仿真和設(shè)計(jì)。具體步驟如下：

1. 電路設(shè)計(jì)與仿真

基于Cadence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，對(duì)整流電路、穩(wěn)壓電路、解調(diào)電路、上電復(fù)位電路和時(shí)鐘產(chǎn)生電路等核心模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真。通過仿真，可以驗(yàn)證電路的性能和功能，優(yōu)化電路參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 流片與測(cè)試

通過多項(xiàng)目晶圓（MPW）流片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括電路的功耗、輸出電壓穩(wěn)定性、解調(diào)靈敏度、時(shí)鐘頻率穩(wěn)定性等。通過測(cè)試，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可靠性，為后續(xù)的生產(chǎn)和應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持。

3. 系統(tǒng)集成與優(yōu)化

將測(cè)試合格的模擬射頻前端與數(shù)字控制部分進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成完整的UHF RFID標(biāo)簽芯片。在系統(tǒng)集成過程中，需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，確保整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，還需要對(duì)芯片進(jìn)行功耗優(yōu)化和抗干擾性測(cè)試，以提高芯片的使用壽命和可靠性。

五、總結(jié)與展望

UHF RFID標(biāo)簽的模擬射頻前端設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效、低功耗無源標(biāo)簽的關(guān)鍵。通過對(duì)整流電路、穩(wěn)壓電路、解調(diào)電路等核心模塊的精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以提高標(biāo)簽的讀取距離和工作穩(wěn)定性。同時(shí)，選擇高性能和低功耗的主控芯片也是提高系統(tǒng)性能的重要措施。

隨著RFID技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，UHF RFID標(biāo)簽的模擬射頻前端設(shè)計(jì)將更加注重智能化和安全性。通過引入智能算法和加密技術(shù)，可以提高RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和通信安全性，防止數(shù)據(jù)泄露和非法訪問，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和用戶的隱私安全。

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步和集成化設(shè)計(jì)的發(fā)展，UHF RFID標(biāo)簽的模擬射頻前端將更加小型化和低功耗，以適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景的需求。同時(shí)，多頻段兼容設(shè)計(jì)和智能化管理也將成為未來RFID技術(shù)發(fā)展的重要方向。