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【摘 要】本在对RFID 做了简单的介绍之后，对UHF RFID设计中存在的难点从芯片设计、天线设计方面进行了分析和讨论。
【关键字】UHF RFID； 芯片设计；天线设计； RFID标签
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
自从20世纪40年代RFID的概念提出至今，RFID已经取得了飞速的发展。目前，各种频段、各种协议及各种工作方式的标签及阅读器已经在各种应用场合得到应用。
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是直接利用雷达技术发展起来的一种新的自动识别技术，其最早的应用追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛的应用。1948年斯托克发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别RFID的理论基础。
RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非视距识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一[1]。
一、 UHF RFID简介
按照能量供给方式的不同，RFID标签分为有源、无源和半有源三种。无源标签没有内置电池，标签在阅读器的阅读范围内从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内标签那要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少，只有进入阅读器阅读范围内才被射频能量激活，利用阅读器的能量进行数据通讯，其余时间处于休眠状态。有源标签的工作电源和上行通讯所需能量完全来自于自带的电池。由于无源标签不需要外接电池，所以其成本、体积和可靠性优于其它两类标签[2]。
按照工作频率的不同，RFID标签分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）的标签。低频标签的典型工作频率在125KHz～134KHz之间，波长较长，可以穿透大部分物体读取标签，但是数据率比较慢，作用距离小于1m，主要用于畜牧业的管理系统；高频标签指工作于13.56MHz的标签，通讯速率比低频标签高，能勉强透过金属和液体读取数据，识别作用距离小于1m，由于低廉的价格和成熟的技术，目前已经广泛地用于各种门禁和收费系统；超高频标签通常工作频率在860MHz～960MHz之间，具有作用距离远（典型3m～10m），成本低，通讯速度快等优势，是目前RFID产业发展的热点，并有望在未来5年内成为主流[1]。微波波段的标签工作在2.45GHz以上的频率，目前在部分国家已经得到应用，主要用在一些不停车收费系统。
本文主要针对无源UHF RFID系统进行分析和研究。
基本的UHF RFID系统由四部分组成，如图1所示：
标签：由芯片和印制天线封装而成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上，标识目标对象；
阅读器：按照规定的标准，完成标签的查询和读写操作，并向上层数据库发送标签数据；
天线：在标签和阅读器之间传递射频信号和能量；
数据库：完成与标签数据相关的信息查询和管理。
UHF RFID系统的通讯过程可以分为两个层次，一是底层的阅读器与标签之间的通讯过程，二是阅读器与后台数据库、网络和应用体系之间的通讯。阅读器在一定的标准规定下，通过空气接口读取标签唯一的电子编码，然后通过网络将标签数据发送到上位机的数据库中进行查询，获得该标签相关的详细信息。通过互联网，可以在全球范围内对电子标签进行跟踪查询和管理。
UHF RFID标签与阅读器之间的通讯原理与雷达的工作原理类似。阅读器向标签发射高频电磁波，一部分能量被标签天线接收转换为标签本身的工作能量，另外一部分会反射回空间中被阅读器的接收天线收集。阅读器和标签之间的通讯是半双工的，在整个通讯过程中，阅读器是会话的发起者。
标签与阅读器之间的通讯过程是：首先向标签发送一段时间的高频连续波（continuous-wave，简称CW），为UHF RFID标签提供启动所需能量，使标签完成上电过程，然后阅读器将一系列的命令和数据调制到高频电磁波中，标签将命令解调后，通过改变芯片自身的阻抗改变天线的反射系数，将标签的信息调制到反射波上。阅读器通过接收和解调标签反射回来的电磁波可以获得标签的数据。
为了实现远距离范围多标签的可靠读写，标签的与阅读器之间还需进行数据编码，差错校验，并采取防冲撞机制实现对多个标签进行识别。
二、UHF RFID标签设计中的难点
（一）芯片设计
标签中的芯片设计是最核心的部分。标签芯片属于小规模的片上系统（SOC），包含了射频、模拟、数字基带和存储器模块，设计复杂度很高，而且必须要保证微功耗，图2所示为标签芯片的基本架构。市场上普通的UHF RFID标签灵敏度一般为-14dBm～-16dBm，由此可以大致推算出芯片的功耗在10～20微瓦（指进入芯片的能量）。
高效的倍压整流电路是无源UHF RFID标签芯片能量的来源，一般的倍压整流电路都采用基于肖特基二极管的电荷泵结构，但是这种结构的整流效率不高，一般为25%～40%，最新的研究是基于MOS管的电荷泵电路，阈值补偿技术的应用可以很好的解决由于阈值损失而是输出电压过低的问题，并且整流效率可以达到40%～50%。更高整流效率的倍压整流电路仍然是目前芯片设计的重点之一[3]。 稳定的时钟电路是基带工作的必要条件，然而由于UHF RFID的特殊性，要获得精准的时钟并不容易。由于电源电压不稳定，工艺、温度等的变化，使时钟会偏离设计的频率，而通信协议对反向时钟有明确的规定，如果时钟偏差过大，则标签就不会被阅读器识别。可以有两种途径来解决时钟的问题：1、采用时钟校准技术，但是这种方法会增加芯片的复杂度和标签的成本；2、利用基带的算法，拓宽对时钟的要求，在时钟有偏差的情况下，依然可以得到满足协议要求的反向链路时钟。
高精度的解调电路，稳定的电源稳压电路，flag保持电路等模块也是芯片设计的难点。低功耗的数字基带、存储器也是研究的热点[4]。
（二）天线设计
RFID依靠无线技术进行能量获取和信息交互，而无线电波的发射与接收必须依靠天线来完成，天线被看作是无线电波的出口与入口，因此天线技术也是RFID标签设计中的关键技术之一。标签天线的尺寸、增益、带宽、阻抗、成本等众多因素相互制约，针对不用应用领域的标签天线需要充分考虑上述因素并进行折中才能得到最优的设计[5] 。
RFID标签包含天线和芯片，二者均具有复数阻抗。对于无源标签来说，因为标签工作所需全部能量来源于阅读器发射的射频信号，所以天线和芯片之间能否实现良好的匹配和功率传输，直接影响到系统功能的实现，也很大程度上决定了标签的关键性能。目前已有的阻抗匹配方法大都较为复杂[6]，用于 RFID芯片时标签识别准确率并不理想[7]。
结束语
本文对RFID系统的原理做了简单介绍后，重点对在标签芯片和天线设计两方面的难点进行了分析和讨论。
参考文献：
[1]中国射频识别（RFID）技术政策白皮书[M]. 中华人民共和国科学技术部等十五部委. 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.
作者简介：
王西均，（1964.08—），河南巩义人，大专，研究方向：电子信息监测与计算机控制
【关键字】UHF RFID； 芯片设计；天线设计； RFID标签
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
自从20世纪40年代RFID的概念提出至今，RFID已经取得了飞速的发展。目前，各种频段、各种协议及各种工作方式的标签及阅读器已经在各种应用场合得到应用。
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是直接利用雷达技术发展起来的一种新的自动识别技术，其最早的应用追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛的应用。1948年斯托克发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别RFID的理论基础。
RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非视距识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一[1]。
一、 UHF RFID简介
按照能量供给方式的不同，RFID标签分为有源、无源和半有源三种。无源标签没有内置电池，标签在阅读器的阅读范围内从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内标签那要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少，只有进入阅读器阅读范围内才被射频能量激活，利用阅读器的能量进行数据通讯，其余时间处于休眠状态。有源标签的工作电源和上行通讯所需能量完全来自于自带的电池。由于无源标签不需要外接电池，所以其成本、体积和可靠性优于其它两类标签[2]。
按照工作频率的不同，RFID标签分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）的标签。低频标签的典型工作频率在125KHz～134KHz之间，波长较长，可以穿透大部分物体读取标签，但是数据率比较慢，作用距离小于1m，主要用于畜牧业的管理系统；高频标签指工作于13.56MHz的标签，通讯速率比低频标签高，能勉强透过金属和液体读取数据，识别作用距离小于1m，由于低廉的价格和成熟的技术，目前已经广泛地用于各种门禁和收费系统；超高频标签通常工作频率在860MHz～960MHz之间，具有作用距离远（典型3m～10m），成本低，通讯速度快等优势，是目前RFID产业发展的热点，并有望在未来5年内成为主流[1]。微波波段的标签工作在2.45GHz以上的频率，目前在部分国家已经得到应用，主要用在一些不停车收费系统。
本文主要针对无源UHF RFID系统进行分析和研究。
基本的UHF RFID系统由四部分组成，如图1所示：
标签：由芯片和印制天线封装而成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上，标识目标对象；
阅读器：按照规定的标准，完成标签的查询和读写操作，并向上层数据库发送标签数据；
天线：在标签和阅读器之间传递射频信号和能量；
数据库：完成与标签数据相关的信息查询和管理。
UHF RFID系统的通讯过程可以分为两个层次，一是底层的阅读器与标签之间的通讯过程，二是阅读器与后台数据库、网络和应用体系之间的通讯。阅读器在一定的标准规定下，通过空气接口读取标签唯一的电子编码，然后通过网络将标签数据发送到上位机的数据库中进行查询，获得该标签相关的详细信息。通过互联网，可以在全球范围内对电子标签进行跟踪查询和管理。
UHF RFID标签与阅读器之间的通讯原理与雷达的工作原理类似。阅读器向标签发射高频电磁波，一部分能量被标签天线接收转换为标签本身的工作能量，另外一部分会反射回空间中被阅读器的接收天线收集。阅读器和标签之间的通讯是半双工的，在整个通讯过程中，阅读器是会话的发起者。
标签与阅读器之间的通讯过程是：首先向标签发送一段时间的高频连续波（continuous-wave，简称CW），为UHF RFID标签提供启动所需能量，使标签完成上电过程，然后阅读器将一系列的命令和数据调制到高频电磁波中，标签将命令解调后，通过改变芯片自身的阻抗改变天线的反射系数，将标签的信息调制到反射波上。阅读器通过接收和解调标签反射回来的电磁波可以获得标签的数据。
为了实现远距离范围多标签的可靠读写，标签的与阅读器之间还需进行数据编码，差错校验，并采取防冲撞机制实现对多个标签进行识别。
二、UHF RFID标签设计中的难点
（一）芯片设计
标签中的芯片设计是最核心的部分。标签芯片属于小规模的片上系统（SOC），包含了射频、模拟、数字基带和存储器模块，设计复杂度很高，而且必须要保证微功耗，图2所示为标签芯片的基本架构。市场上普通的UHF RFID标签灵敏度一般为-14dBm～-16dBm，由此可以大致推算出芯片的功耗在10～20微瓦（指进入芯片的能量）。
高效的倍压整流电路是无源UHF RFID标签芯片能量的来源，一般的倍压整流电路都采用基于肖特基二极管的电荷泵结构，但是这种结构的整流效率不高，一般为25%～40%，最新的研究是基于MOS管的电荷泵电路，阈值补偿技术的应用可以很好的解决由于阈值损失而是输出电压过低的问题，并且整流效率可以达到40%～50%。更高整流效率的倍压整流电路仍然是目前芯片设计的重点之一[3]。 稳定的时钟电路是基带工作的必要条件，然而由于UHF RFID的特殊性，要获得精准的时钟并不容易。由于电源电压不稳定，工艺、温度等的变化，使时钟会偏离设计的频率，而通信协议对反向时钟有明确的规定，如果时钟偏差过大，则标签就不会被阅读器识别。可以有两种途径来解决时钟的问题：1、采用时钟校准技术，但是这种方法会增加芯片的复杂度和标签的成本；2、利用基带的算法，拓宽对时钟的要求，在时钟有偏差的情况下，依然可以得到满足协议要求的反向链路时钟。
高精度的解调电路，稳定的电源稳压电路，flag保持电路等模块也是芯片设计的难点。低功耗的数字基带、存储器也是研究的热点[4]。
（二）天线设计
RFID依靠无线技术进行能量获取和信息交互，而无线电波的发射与接收必须依靠天线来完成，天线被看作是无线电波的出口与入口，因此天线技术也是RFID标签设计中的关键技术之一。标签天线的尺寸、增益、带宽、阻抗、成本等众多因素相互制约，针对不用应用领域的标签天线需要充分考虑上述因素并进行折中才能得到最优的设计[5] 。
RFID标签包含天线和芯片，二者均具有复数阻抗。对于无源标签来说，因为标签工作所需全部能量来源于阅读器发射的射频信号，所以天线和芯片之间能否实现良好的匹配和功率传输，直接影响到系统功能的实现，也很大程度上决定了标签的关键性能。目前已有的阻抗匹配方法大都较为复杂[6]，用于 RFID芯片时标签识别准确率并不理想[7]。
结束语
本文对RFID系统的原理做了简单介绍后，重点对在标签芯片和天线设计两方面的难点进行了分析和讨论。
参考文献：
[1]中国射频识别（RFID）技术政策白皮书[M]. 中华人民共和国科学技术部等十五部委. 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.
作者简介：
王西均，（1964.08—），河南巩义人，大专，研究方向：电子信息监测与计算机控制