[讨论] 无源rfid标签结构与原理

      本文以Microchip MCRF355和MCRF360无源标签为例，比较详细的介绍了无源标签的结构工艺与通讯原理。 

      无源RFID标签本身不带电池，依靠读卡器发送的电磁能量工作。由于它结构简单、经济实用，因而获得广泛的应用。无源RFID标签由RFID IC、谐振电容C和天线L组成，天线与电容组成谐振回路，调谐在读卡器的载波频率，以获得最佳性能。

      生产厂商大多遵循国际电信联盟的规范，RFID使用的频率有6种，分别为135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz（即UHF）、2.45GHz以及5.8GHz。无源RFID主要使用前二种频率。

RFID标签结构
      RFID标签天线有两种天线形式：（1）线绕电感天线；（2）在介质基板上压印或印刷刻腐的盘旋状天线。天线形式由载波频率、标签封装形式、性能和组装成本等因素决定。例如，频率小于400KHz时需要mH级电感量，这类天线只能用线绕电感制作；频率在4~30MHz时，仅需几个礖，几圈线绕电感就可以，或使用介质基板上的刻腐天线。

      选择天线后，下一步就是如何将硅IC贴接在天线上。IC贴接也有两种基本方法：（1）使用板上芯片（COB）；（2）裸芯片直接贴接在天线上。前者常用于线绕天线；而后者用于刻腐天线。CIB是将谐振电容和RFID IC一起封装在同一个管壳中，天线则用烙铁或熔焊工艺连接在COB的2个外接端了上。由于大多数COB用于ISO卡，一种符合ISO标准厚度（0.76）规格的卡，因此COB的典型厚度约为0.4mm。两种常见的COB封装形式是IST采用的IOA2（MOA2）和美国HEI公司采用的WorldⅡ。

      裸芯片直接贴接减少了中间步骤，广泛地用于低成本和大批量应用。直接贴接也有两种方法可供选择，（1）引线焊接；（2）倒装工艺。采用倒装工艺时，芯片焊盘上需制作专门的焊球，材料是金的，高度约25祄，然后将焊球倒装在天线的印制走线上。引线焊接工艺较简单，裸芯片直接用引线焊接在天线上，焊接区再用黑色环氧树脂密封。对小批量生产，这种工艺的成本较低；而对于大批量生产，最好采有倒装工艺。

a)外接2个电感、1个电容(图1）

b）外接2个电容、1个电感(图2）

c）MCRF360（图3）

图1 MCRF355和MCRF360的连接方法

基本工作原理
      无线RFID标签的性能受标签大小，调制形式、电路Q值、器件功耗以及调制深度的极大影响。下面简要地介绍它的工作原理。
      RFID IC 内部备有一个154位存储器，用以存储标签数据。IC内部还有一个通导电阻极低的调制门控管（CMOS），以一定频率工作。当读卡器发射电磁波，使标签天线电感式电压达到VPP时，器件工作，以曼彻斯特格式将数据发送回去。
数据发送是通过调谐与去调谐外部谐振回路来完成的。具体过程如下：当数据为逻辑高电平时，门控管截止，将调谐电路调谐于读卡器的截波频率，这就是调谐状态，感应电压达到最大值。如此进行，调谐与去调谐在标签线圈上产生一个幅度调制信号，读卡器检测电压波形包络，就能重构来自标签的数据信号。

      门控管的开关频率为70KHz，完成全部154位数据约需2.2ms。在发送完全部数据后，器件进入100 ms的休眠模式。当一个标签进入休眠模式时，读卡器可以去读取其它标签的数据，不会产生任何数据冲突。当然，这个功能受到下列因素的影响：标签至读卡器的距离、两者的方位、标签的移动以及标签的空间分布。

设计实例
      MCRF 355/360是Microchip公司生产的13.56MHz器件。355既可用于COB，也可用于直接贴接；而360内部有1个100pf电容，只需外部电感。该器件近乎以100%调制发送数据，调制深度决定了标签的线圈电压从“高”至“低”的变化，亦即区分调谐状态和去调谐状态。

      图1示出了器件的连接方法。图1（a）和（b）是为MCRF355设计的，图1（a）外接2个电感和1个电容，相应的谐振频率为：
f(调谐)=1/2p
f(去调谐)=1/2p
LT=L1+L2+Lm
上式中，Lm是互感系数K;K是两个电感间耦合系数（0≤K≤1）。
图1（b）是外接2个电容和1个电感，频率为：
f(调谐)=1/2p
f(去调谐)=1/2p
CT=C1C2/C1+C2
      图1（c）是MCRF360连接方法，由于它内部有一个电容，所以只需外接2个电感就可以了，频率计算公式与MCRF355相同。

      外接元件值通常在三分之一至二分之一处优化。例如，在天线A与天线B之间电感线圈是3圈的话，那未天线B至VSS之间为1圈。当MCRF 355制作成COB时，内置2个串联的68Pf相同电容。电容C1连接在天线A至天线B之间，C2在天线B至Vss之间。

      为了达到设计的性能，标签应准确地调谐在读卡器的载波频率。然而使用的元件总会有偏差的，引起读数距离的变化。电感的误差可控制在1~2%以内，因此读数距离主要由电容误差引起的。外接电容的误差应在5%以内，Q值大于100。MCRF360R的内部电容是用氧化硅制作的，同一硅片上的误差在5%以内，而不同批次的误差在10%左右。

      MCRF355/360的存储器数据可以托付生产厂在出厂前编程好，也可以在现场用接触式编程器编程。