UHF RFID標簽的模擬射頻前端設計方案

引言

超高頻無線射頻識別（RFID）技術具有非接觸式、識別速度快、作用距離遠、存儲容量大、可多卡識別等優點，已廣泛應用于生產、零售、交通、物流等行業。UHF RFID無源標簽芯片作為超高頻射頻識別系統的核心組成部分，近年來一直是國內外研究的熱點。研究和設計低功耗、小尺寸、高動態范圍的模擬射頻前端，可以解決UHF RFID標簽芯片的關鍵技術難題，并推動超高頻標簽芯片快速發展。

一、UHF RFID系統工作原理與系統結構

UHF RFID系統主要由后臺數據處理計算機、RFID閱讀器和電子標簽三部分組成。當標簽進入閱讀器的電磁場范圍時，通過天線接收射頻能量，利用整流電路將交流信號轉換為直流，為內部電路供電。標簽的ASK（Amplitude Shift Keying）調制/解調電路用于解調接收到的射頻脈沖中的指令和數據，并傳輸至基帶數字電路。數字電路則根據指令執行相應的操作，如狀態轉換、數據存儲和讀寫功能。

整個系統分為模擬射頻前端和數字控制兩大部分。模擬射頻前端主要實現電源產生、調制/解調、時鐘產生、上電復位等功能；數字控制部分控制著標簽內部數據的流向，按照接收到的指令，控制標簽進行狀態轉換、存儲及返回所需要的內容，包括命令解析、數據編碼、數據存儲、讀/寫等功能。

二、模擬射頻前端模塊設計

1. 整流電路

整流電路是將天線感應到的射頻能量轉化為直流能量的關鍵。多級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幅度、二極管正向電壓以及整流級數影響。整流電路的設計需要平衡整流效率和功耗，確保在微弱的射頻信號下也能產生足夠的直流電壓供內部電路使用。

2. 穩壓電路

為保證標簽在不同距離下的正常工作，穩壓電路至關重要。它通過誤差放大器和調整管來維持輸出電壓的穩定，即使接收功率有大范圍變化，也能確保芯片工作的動態范圍。穩壓電路的設計需要考慮低功耗和穩定性，確保在各種環境下標簽都能穩定工作。

3. 上電復位電路

在電源建立后，上電復位電路提供啟動信號，使數字電路進入待機狀態。電路設計確保了電壓達到一定閾值時，產生復位信號的上升沿和下降沿。上電復位電路是標簽芯片啟動和初始化的關鍵，確保在電源穩定后，數字電路能夠正確開始工作。

4. 解調電路

ASK解調電路采用包絡檢波方式，適用于18000-6C/B標準，能有效處理40kHz至160kHz頻率范圍內的信號，保持低脈寬失真。解調電路的設計需要優化包絡檢波電路和比較器的性能，確保在復雜環境下仍能準確解調出數據信號。

5. 時鐘產生電路

時鐘產生電路為數字電路提供穩定的工作時鐘。它通常由環形振蕩器和溫度補償電路組成，確保在不同溫度和電壓下，時鐘頻率的穩定性和準確性。時鐘產生電路的設計需要考慮低功耗和高穩定性，確保標簽在各種條件下都能正常工作。

三、主控芯片型號及在設計中的作用

在UHF RFID標簽的模擬射頻前端設計中，主控芯片的選擇至關重要。它決定了整個系統的性能、功耗和成本。以下是一些常用的主控芯片型號及其在設計中的作用：

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、模數/數模轉換器等模擬前端，并且內置了ISO18000-6C的完整協議處理系統。在UHF RFID標簽的設計中，AS3992可以作為讀寫器芯片，與標簽進行通信和數據傳輸。它的高性能和多功能性使得整個RFID系統具有更遠的識別距離、更快的通信速度和更高的穩定性。

2. FM13UF系列

FM13UF系列是上海復旦微電子集團股份有限公司推出的UHF RFID標簽芯片。該系列芯片具備超可靠、快速數據寫入和讀取功能，顯著提升了標簽盤點成功率和識讀距離。在UHF RFID標簽的設計中，FM13UF系列芯片可以作為標簽芯片，存儲和傳輸數據。它的低功耗和高靈敏度使得標簽能夠在微弱的射頻信號下正常工作，并且具有較長的使用壽命。

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）的獨特優勢，在市場上脫穎而出。在UHF RFID標簽的設計中，X-RFID?芯片可以作為標簽芯片，提供高性能和低成本的解決方案。它的超低功耗永久存儲器（XLPM）技術不僅提升了性能，還極大地降低了成本，非常貼合國內RFID應用場景的需求。

四、設計與實現

在UHF RFID標簽的模擬射頻前端設計中，通常采用Cadence Spectre設計仿真平臺和TSMC的0.18微米CMOS混合信號工藝進行模擬射頻前端的仿真和設計。具體步驟如下：

1. 電路設計與仿真

基于Cadence Spectre設計仿真平臺，對整流電路、穩壓電路、解調電路、上電復位電路和時鐘產生電路等核心模塊進行電路設計與仿真。通過仿真，可以驗證電路的性能和功能，優化電路參數，提高系統的穩定性和可靠性。

2. 流片與測試

通過多項目晶圓（MPW）流片實現設計，并對各模塊進行實際測試。測試內容包括電路的功耗、輸出電壓穩定性、解調靈敏度、時鐘頻率穩定性等。通過測試，可以驗證設計的正確性和可靠性，為后續的生產和應用提供可靠的技術支持。

3. 系統集成與優化

將測試合格的模擬射頻前端與數字控制部分進行系統集成，形成完整的UHF RFID標簽芯片。在系統集成過程中，需要對各個模塊進行調試和優化，確保整個系統的性能和穩定性。同時，還需要對芯片進行功耗優化和抗干擾性測試，以提高芯片的使用壽命和可靠性。

五、總結與展望

UHF RFID標簽的模擬射頻前端設計是實現高效、低功耗無源標簽的關鍵。通過對整流電路、穩壓電路、解調電路等核心模塊的精心設計和優化，可以提高標簽的讀取距離和工作穩定性。同時，選擇高性能和低功耗的主控芯片也是提高系統性能的重要措施。

隨著RFID技術的不斷發展和應用領域的不斷擴大，UHF RFID標簽的模擬射頻前端設計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，可以提高RFID系統的數據處理能力和通信安全性，防止數據泄露和非法訪問，保障系統的穩定運行和用戶的隱私安全。

隨著半導體工藝的不斷進步和集成化設計的發展，UHF RFID標簽的模擬射頻前端將更加小型化和低功耗，以適應更多應用場景的需求。同時，多頻段兼容設計和智能化管理也將成為未來RFID技術發展的重要方向。