0 引言

    近年來物聯網是人們普遍關注的一項新技術，射頻識別技術作為物聯網的一個關鍵技術，得到迅速的發展。目前在實際應用中的電子標簽大多基于單頻段的RFID技術，不能滿足遠近系統精準化的管理以及其他業務需求^[1]。有些公司提出把兩個單頻的電子標簽復合在一起組成一個雙頻的電子標簽，雖然在一定程度上滿足了業務需求，但兩個單頻的標簽相互獨立，使用起來不方便。本文提出一種集成的雙頻RFID電子標簽芯片，可以把兩個或多個頻段的電子標簽集成在一顆芯片里，使兩個頻段共用芯片的電源、中央控制邏輯電路和存儲器，實現兩個頻段的相互協調工作，避免兩個頻段同時工作產生電源沖突和讀寫存儲器的沖突問題。

1 現有的雙頻RFID標簽解決方案

    針對現有的單頻段RFID電子標簽不能同時滿足遠近距離、高速識別、高穿透力的應用需求，行業提出一種復合的雙頻RFID電子標簽，如圖1所示，復合的電子標簽包括兩個部分：第一頻段的電子標簽和第二頻段的電子標簽，兩個頻段的標簽相互獨立，它們有各自的芯片和天線，它們組合在一起封裝在一個裝配體（標簽外殼）中形成一個雙頻段電子標簽^[2]。雖然兩個頻段的標簽相互獨立，但在實際應用中它們的數據需要相互關聯或共享，就需要在兩個標簽芯片中寫入相同的數據，比如TID和UID數據，即相同的數據需要寫兩遍。

2 本文提出的雙頻RFID標簽芯片

2.1 本文提出的雙頻標簽芯片系統方案

    圖2是本文提出的無源雙頻RFID電子標簽芯片系統方案。包括第一頻段的射頻前端電路模塊和第二頻段的射頻前端電路模塊、狀態檢測電路模塊、中央控制邏輯電路模塊、電源電路模塊、存儲器電路等。兩個射頻模塊分別處理兩個頻段射頻信號的接收、解調和發送。電源模塊把兩個射頻模塊接收的電能轉換成電壓穩定的直流電源，為芯片的各模塊供電。狀態檢測模塊檢測兩個頻段射頻端口的激活狀態，識別出哪個頻段被激活，并把該頻段的激活狀態信息傳遞給中央控制邏輯電路模塊。中央控制邏輯電路模塊根據相關的RFID通信協議標準解析兩個射頻前端接收的指令并響應指令、讀寫存儲器以及返回相關的數據，并依據兩個射頻端口的激活狀態指示信號確定兩個頻段讀寫存儲器的優先次序。兩個頻段共用電源、存儲器、中央控制邏輯電路，可以使兩個頻段相互協調工作，實現存儲數據的共享，避免兩個頻段同時工作時出現電源電壓相互沖突問題和兩個頻段同時讀寫存儲器的沖突問題。

2.2 本文設計的LF+UHF雙頻標簽芯片

    依據圖2所述的系統方案，本文設計了一款集成低頻段（LF）和超高頻段(UHF)的無源雙頻RFID標簽芯片電路。低頻段遵守ISO 11784和ISO 11785協議標準，超高頻段遵守ISO 18000-6C協議標準。芯片有低頻端口和超高頻端口，分別接低頻標簽天線和超高頻標簽天線，接收低頻和超高頻射頻信號。兩個射頻端口可單獨連接低頻或超高頻天線制成低頻或超高頻單頻段電子標簽，也可以同時連接一個低頻天線和一個超高頻天線制成雙頻電子標簽。當該芯片制成雙頻電子標簽時，在低頻和超高頻同時激活時，低頻工作優先，芯片會自動切換到低頻工作模式；在只有一種低頻或超高頻單獨激活時，該電子標簽芯片自動選擇相對應頻段的工作模式。

芯片的低頻段和超高頻段共用存儲器，有相同的TID號，相同的數據只需寫一次即可，并且存儲用戶區的數據共享。

2.3 電源管理模塊

    在本文提出的雙頻RFID標簽芯片方案中，解決兩個頻段同時工作時產生電源沖突和讀寫存儲器沖突問題的關鍵在于電源管理模塊。使用統一的電源供電和狀態檢測，使各種沖突問題迎刃而解。因此下面重點闡述雙頻RFID標簽芯片的電源管理電路，對于單個頻段的射頻前端電路，在很多文獻中都有詳細描述，本文不再贅述。

    雙頻RFID標簽芯片中，兩個頻段既可以單獨工作，也可以同時工作，因此芯片既可以由低頻端口的磁場供電，也可以由超高頻端口的電磁場供電，并且兩邊的供電壓都有較大的變化范圍。芯片電源管理電路的功能就是管理低頻和超高頻的供電電源，使它們對系統供電時不產生沖突。當標簽處于低頻磁場中，LF狀態檢測電路檢測低頻段的電壓，當其達到設定的電壓閾值時就輸出低頻激活狀態信號，使數字電路切換到低頻工作模式，實現低頻工作優先，解決兩個頻段同時讀存儲器的沖突問題。

2.3.1 UHF端的整流電路

    超高頻端的電源恢復電路采用電荷泵整流電路，如圖3所示。將從天線接收下來的UHF射頻信號恢復出直流電源VDU，為芯片的后續電路提供原始的電源。圖3中采用Dickson倍壓電路結構^[3-4]，MOS管采用二極管接法。輸出電壓與輸入電壓的關系如式(1)：

    式(1)中的N為倍壓電路的級數，V_th為MOS管的閾值電壓。電源轉換效率公式如式(2)：

    式(2)中I_in為輸入端的射頻信號瞬態電流，V_in為輸入端的射頻信號瞬態電壓，I_out為輸出端的直流電流，V_out為輸出端的直流電壓。

    式(1)中可以看出，隨著N的增大，輸出電壓會不斷增大，但在實際中由于MOS管存在寄生效應和襯底效應，電源的轉換效率隨著級數的增加會不斷降低，同時轉換效率與MOS管的寬度也存在一定的關系，所以需要在輸出電壓以及電源效率轉換間進行折中。通過對電路的優化，最后采用6級倍壓結構。

2.3.2 LF端的整流電路

    圖4是低頻端的整流電路，采用NMOS柵交叉連接全波橋式整流電路^[5]，把低頻射頻信號變成直流電源VDL，為芯片的后續電路提供原始的電源。此電路有一對二極管連接的NMOS管，電路從天線到負載電容有閾值電壓V_th的壓降，因此NMOS管應選用低閾值的MOS管。

2.3.3 雙頻標簽芯片的電源整合及電壓調節電路

    經過超高頻整流電路和低頻整流電路輸出的兩個電源VDU和VDL需要整合成一個電源為芯片供電，并且由于整流電路提供的輸出電壓隨環境因素變化，它還不能滿足為后續電路供電的要求，因此還需要一個電壓調節電路，提供一個較為穩定的電壓，作為整個芯片電路的工作電壓。

    電源整合及電壓調節電路如圖5所示。Pmos晶體管MP3作為電源整合開關，當它截止時，由VDU為芯片供電，當它導通時，把VDL連接到VDU，由VDL為芯片供電。為了防止MP3露電，需要把MP3的襯底連接VDU和VDL兩者中電壓較高的一個，因此MP1和MP2作為MP3的襯底電壓選擇開關，當MP1導通MP2截止時，選擇VDU作為MP3的襯底電壓，反之則選擇VDL作為MP3的襯底電壓。反相器inv1、MN1、MN2、MP4、MP5作為電平轉換電路，對輸入信號LF_flag進行電平轉換。當超高頻端被激活而低頻端沒有被激活時，LF_flag為低電平，節點V1為高電平，V2為低電平，MP1導通，MP2和MP3截止，由VDU為芯片供電；當超高頻端沒有被激活而低頻端被激活時，LF_flag為高電平，節點V1為低電平，V2為高電平，MP1截止，MP2和MP3導通，由VDL為芯片供電；當超高頻端和低頻端同時被激活時，LF_flag為高電平，節點V1為低電平，V2為高電平，MP1截止，MP2和MP3導通，此時VDU和VDL同時為芯片供電，由于芯片設計成低頻工作優先，因此此時的芯片工作在低頻優先工作狀態。通過開關管MP3使VDU和VDL斷開，避免了低頻端的整流電源與超高頻端的整流電流直接連接在一起，有效地避免了因為低頻端口的低頻天線產生的干擾信號通過電源線流竄到超高頻端而導致超高頻端靈敏度下降的問題。

    經過電源整合后的電源電壓還有很大的波動，為了防止電壓太高而損壞芯片，需要增加一個起電壓保護作用的泄流電路^[6]，當電壓超過設定電壓時就泄放掉部分電荷，使電源電壓降。

    圖5中，基準電壓源、運算放大器AMP1、PMOS晶體管MP6、R1和R2、電容CL構成電壓調節電路，其工作原理詳見文獻[7-8]。基準電壓源是一個與電源電壓無關的參考源。輸出電源VDD電壓經電阻R1和R2分壓后與基準電壓相比較，通過運算放大器AMP1放大其差值來控制MP6晶體管的柵極電壓，使得輸出電壓VDD與基準電壓源的輸出電壓保持相對穩定的狀態。

3 芯片測試結果

    本文提出的雙頻RFID電子標簽芯片電路基于某代工廠 0.18 μm的標準CMOS工藝設計并流片。芯片的電源整合及電壓調節電路的仿真結果如圖6所示，在500 μs之前電路由超高頻端供電，此時VDU供電電壓為2.2 V，VDD輸出電壓為1.18 V，LF_flag為低電平，VDL為低電壓，雖然VDL上有很大的干擾信號，但由于此時圖5中MP3晶體管處于截止狀態，VDL與VDU斷開，VDL上的干擾信號對VDU沒有產生影響；在500 μs之后VDL電壓為2.7 V，LF_flag為高電平，此時由低頻端供電或者由低頻端和超高端同時供電，VDU的電壓取兩個輸入電壓的較高者。不管是由低頻端供電還是由超高頻端供電，VDD輸出穩定的電壓為整個芯片電路供電。

    芯片的版圖如圖7所示，版圖面積為750×1 020 μm²，芯片設有4個PAD,分別是UHF的兩個射頻PAD和LF端的兩個射頻PAD。為了降低兩個頻段相互干擾，把兩個頻段的射頻電路分開，圖中左邊為低頻射頻電路，右邊為超高頻射頻電路和電源管理電路。中間的上部是存儲器，中間的下部是數字邏輯電路。

    圖8是由封裝后的芯片制成的雙頻標簽測試樣品，UHF端連接半波偶極子天線，工作頻率為920~960 MHz；LF端連接低頻電感線圈天線，工作頻率為134.2 kHz。UHF端的靈敏度為-16 dBm，低頻端的讀標簽距離為10 cm。標簽在兩個頻段的靈敏度和識讀距離與業界的同類標簽相近似。

4 結語

    本文提出的雙頻RFID電子標簽芯片系統方案和電路結構，解決了多頻段電子標簽集成在一個芯片上相互沖突的問題，并且設計和流片了集成超高頻和低頻的雙頻電子標簽芯片，通過測試驗證了芯片的各項功能和性能與業界的同類標簽相近。

參考文獻

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作者信息：

孔令榮

（深圳市遠望谷信息技術股份有限公司，廣東 深圳518057）