无源RFID 标签结构与原理

作者：东华 出处：RFID 射频快报 2006-3-13
关键词： 无源RFID 标签[1 篇] 结构[3 篇] 原理[12 篇]
摘 要：
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I OA2（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
b）外接2 个电容、1 个电感
c）MCRF360

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。