1 引言

國外基于CDMA的(de)RFID空中接口研究工作，至今仍然停留在有源标簽、隻發不收的(de)研究階段，其直接原因通(tōng)常歸咎于無源标簽未能實現芯片低功耗設計，可(kě)見芯片的(de)低功耗設計是非常必要的(de)。因此，隻有首先弄清無源标簽的(de)供電機理(lǐ)，繼而針對(duì)UHF RFID空中接口的(de)應用(yòng)環境進行分(fēn)析，才可(kě)能尋得(de)完整的(de)解決方案。本文旨在介紹UHF RFID無源标簽的(de)芯片特殊的(de)供電機理(lǐ)。

2 UHF RFID無源标簽供電特點

2.1 借助無線功率傳輸供電

無線功率傳輸是利用(yòng)無線電磁輻射方法将電能從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，其工作原理(lǐ)如圖1所示。工作過程是将電能經射頻(pín)振蕩轉換爲射頻(pín)能，射頻(pín)能經發射天線轉換爲無線電電磁場(chǎng)能，無線電電磁場(chǎng)能經空間傳播到達接收天線，再由接收天線轉換回射頻(pín)能，檢波變爲直流電能。

1896年意大(dà)利人(rén)馬可(kě)尼(Guglielmo Marchese Marconi)發明(míng)了(le)無線電，實現了(le)跨越空間的(de)無線電信号傳輸。1899年，美(měi)國人(rén)泰斯拉(Nikola Tesla)提出了(le)用(yòng)無線功率傳輸的(de)思路，并于科羅拉多(duō)州建立了(le)一個(gè)60m高(gāo)、底部加感、頂部加容的(de)天線，利用(yòng)150kHz的(de)頻(pín)率，将300kW輸入功率在距離長(cháng)達42km的(de)距離上傳輸，在接收端獲得(de)了(le)10kW的(de)無線接收功率。

UHF RFID無源标簽供電沿用(yòng)了(le)這(zhè)個(gè)思路，由閱讀器通(tōng)過射頻(pín)向标簽供電。但是，UHF RFID無源标簽供電與Tesla試驗有巨大(dà)的(de)差别：頻(pín)率高(gāo)出近萬倍，天線尺寸縮短達千倍。由于無線傳輸損耗與頻(pín)率平方成正比，與距離的(de)平方成正比，顯然，傳輸損耗增長(cháng)是巨大(dà)的(de)。最簡單的(de)無線傳播模式是自由空間傳播，傳播損耗與傳播波長(cháng)的(de)平方成反比，與距離的(de)平方成正比，自由空間傳播損耗爲LS=20lg(4πd/λ)。若距離d單位爲m，頻(pín)率f單位爲MHz，則LS= -27.56+20lgd+20lgf。

UHF RFID系統基于無線功率傳輸機理(lǐ)，無源标簽沒有自備供電電源，需借助于接收閱讀器發射的(de)射頻(pín)能量，通(tōng)過倍壓整流，即狄克遜泵(Dickson charge pump)建立直流供電電源。

UHF RFID空中接口适用(yòng)的(de)通(tōng)信距離主要決定于閱讀器發射功率和(hé)空間基本傳播損耗。UHF頻(pín)段RFID閱讀器發射功率通(tōng)常被限制爲33dBm。由基本傳播損耗公式，忽略其它任何可(kě)能産生的(de)損耗，可(kě)以算(suàn)出通(tōng)過無線功率傳輸到達标簽的(de)射頻(pín)功率。UHF RFID空中接口通(tōng)信距離與基本傳播損耗的(de)關系和(hé)到達标簽的(de)射頻(pín)功率如表1所示：

表1 通(tōng)信距離與傳播損耗和(hé)到達标簽射頻(pín)功率的(de)關系

注：假定閱讀器發射功率爲33dBm。

由表1可(kě)見，UHF RFID無線功率傳輸具有傳輸損耗大(dà)的(de)特點，由于RFID遵從國家短距離通(tōng)信規則，閱讀器發射功率受限，所以标簽可(kě)供電功率低。随著(zhe)通(tōng)信距離加大(dà)，無源标簽接收射頻(pín)能量按頻(pín)方率下(xià)降，供電能力迅速減弱。

2.2 借助片上儲能電容充放電實施供電

(1)電容器充放電特性

無源标簽利用(yòng)無線功率傳輸獲取能源，轉變爲直流電壓，對(duì)片上電容充電儲能，然後通(tōng)過放電對(duì)負載供電。因此，無源标簽的(de)供電過程就是電容充放電過程。電容充放電過程如圖2所示，建立過程是純充電過程，供電過程是放電和(hé)補充充電過程，補充充電必需在放電電壓到達芯片最低供電電壓以前開始。

(2)電容器充放電參數

1)充電參數

充電時(shí)間長(cháng)數：τC=RC×C

充電電壓：

充電電流：

式中RC爲充電電阻，C爲儲能電容。

2)放電參數

放電時(shí)間長(cháng)數：τD=RD×C

放電電壓：

放電電流：

式中RD爲放電電阻，C爲儲能電容。

以上說明(míng)了(le)無源标簽的(de)供電特性，既不是恒壓源，也(yě)不是恒流源，而是儲能電容充放電。當片上儲能電容充電到達芯片電路工作電壓V0以上，便能對(duì)标簽供電。儲能電容開始供電的(de)同時(shí)，其供電電壓就開始下(xià)降，降至芯片工作電壓V0以下(xià)時(shí)，儲能電容失去供電能力，芯片将不能繼續工作。因此，空中接口标簽應具有足夠的(de)對(duì)标簽補充充電的(de)能力。

由此可(kě)見，無源标簽供電方式與其突發通(tōng)信的(de)特點相适應，無源标簽供電還(hái)需要有持續充電的(de)支持。

2.3 供需平衡

浮充供電是另一種供電方式，浮充供電能力與放電能力相适應。但它們都有一個(gè)共同的(de)問題，即UHF RFID無源标簽的(de)供電需要供需平衡。

(1)面向突發通(tōng)信的(de)供需平衡供電方式

UHF RFID無源标簽現行标準ISO/IEC18000-6屬于突發通(tōng)信系統，對(duì)于無源标簽，接收時(shí)段不發射信号，應答(dá)時(shí)段雖然接收載波，但等效于獲取振蕩源，因此可(kě)以認爲是單工工作方式。對(duì)于這(zhè)種應用(yòng)，若把接收時(shí)段作爲對(duì)儲能電容充電時(shí)段，應答(dá)時(shí)段作爲儲能電容放電時(shí)段，則充放電電荷量相等保持供需平衡成爲維持系統正常運行的(de)必需條件。 　　由上述UHF RFID無源标簽的(de)供電機理(lǐ)可(kě)知，UHF RFID無源标簽的(de)供電電源既不是恒流源，也(yě)不是恒壓源。當标簽儲能電容充電到高(gāo)于電路正常工作電壓時(shí)，開始供電;當标簽儲能電容放電到低于電路正常工作電壓時(shí)，停止供電。

對(duì)于突發通(tōng)信，例如無源标簽UHF RFID空中接口，可(kě)以在标簽發送應答(dá)突發前充夠電荷，足以保證應答(dá)完成前還(hái)能維持足夠的(de)電壓。于是除了(le)标簽可(kě)接收到足夠強的(de)射頻(pín)輻射外，還(hái)要求芯片擁有足夠大(dà)的(de)片上電容和(hé)足夠長(cháng)的(de)充電時(shí)間。标簽應答(dá)功耗和(hé)應答(dá)時(shí)間也(yě)必需相适應。由于标簽與閱讀器的(de)距離有遠(yuǎn)近不同，應答(dá)時(shí)間有長(cháng)短差别，儲能電容面積受限等因素，采用(yòng)時(shí)分(fēn)供需平衡可(kě)能是困難的(de)。

(2)面向連續通(tōng)信的(de)浮充供電方式

對(duì)于連續通(tōng)信，要想維持儲能電容不間斷供電，必需做(zuò)到随放随充，充電速度與放電速度相近，也(yě)就是在結束通(tōng)信前，維持供電能力。

無源标簽碼分(fēn)射頻(pín)識别和(hé)UHF RFID無源标簽現行标準ISO/IEC18000-6具有共同的(de)特點，标簽接收狀态需要解調和(hé)解碼，應答(dá)狀态要調制和(hé)發送，因此，更應該按連續通(tōng)信來(lái)設計标簽芯片供電系統。爲了(le)使充電速度與放電速度相近，必需将标簽接收的(de)大(dà)部分(fēn)能量用(yòng)于充電。

3 共享射頻(pín)資源

3.1 無源标簽的(de)射頻(pín)前端

無源标簽對(duì)來(lái)自閱讀器的(de)射頻(pín)能量，除作爲标簽信片電源之外，更重要的(de)是通(tōng)過無線數據傳輸實現閱讀器對(duì)标簽的(de)指令信号傳送，标簽對(duì)閱讀器的(de)應答(dá)信号傳送。無源标簽對(duì)來(lái)自閱讀器的(de)射頻(pín)能量的(de)應用(yòng)如圖3所示：

由圖3可(kě)見，标簽接收的(de)射頻(pín)能量要分(fēn)作三份，分(fēn)别用(yòng)于芯片建立電源、解調信号(包括指令信号和(hé)同步時(shí)鐘(zhōng))和(hé)提供應答(dá)載波。

現行标準UHF RFID的(de)工作方式具有以下(xià)特點：下(xià)行信道采用(yòng)廣播工作方式，上行信道采用(yòng)多(duō)标簽共用(yòng)單信道排序應答(dá)的(de)方式，因此，就信息傳輸而言，屬于單工工作方式。但是由于标簽自己不能提供傳輸載波，标簽應答(dá)需要借助閱讀器提供載波，因此在标簽應答(dá)時(shí)，就發送狀态而言，通(tōng)信兩端處于雙工工作裝态。

在不同的(de)工作狀态，标簽投入工作的(de)電路單元不同，不同的(de)電路單元工作所需的(de)功率也(yě)不一樣，所有的(de)功率都來(lái)自标簽接收的(de)射頻(pín)能量。因此，需要合理(lǐ)分(fēn)配合适時(shí)控制射頻(pín)能量分(fēn)配。

3.2 不同工作時(shí)段的(de)射頻(pín)能量應用(yòng)

當标簽進入閱讀器射頻(pín)場(chǎng)開始建立電源時(shí)，無論此時(shí)閱讀器發送的(de)是什(shén)麽信号，标簽都會将全部接收射頻(pín)能量提供給倍壓整流電路，對(duì)片上儲能電容充電，藉以建立芯片供電電源。

當閱讀器發送指令信号時(shí)，閱讀器的(de)發送信号是受指令數據編碼和(hé)擴展頻(pín)譜序列的(de)幅度調制的(de)信号。标簽所接收的(de)信号中存在載波分(fēn)量和(hé)代表指令數據和(hé)擴展頻(pín)譜序列的(de)邊帶分(fēn)量，接收信号的(de)總能量、載波能量、邊帶分(fēn)量大(dà)小與調制有關。此時(shí)調制分(fēn)量被用(yòng)來(lái)傳輸指令和(hé)擴展頻(pín)譜序列的(de)同步信息，總能量被用(yòng)來(lái)對(duì)片上儲能電容充電，片上儲能電容同時(shí)開始對(duì)片上同步提取電路和(hé)指令信号解調電路單元供電。因此，在閱讀器發送指令時(shí)段，标簽接收射頻(pín)能量被用(yòng)于标簽繼續充電、同步信号提取、指令信号解調和(hé)識别。标簽儲能電容處于浮充供電狀态。

當标簽對(duì)閱讀器進行應答(dá)時(shí)，閱讀器的(de)發送信号是受擴頻(pín)展頻(pín)譜chip率分(fēn)速率時(shí)鐘(zhōng)的(de)幅度調制的(de)信号。标簽所接收的(de)信号中存在載波分(fēn)量和(hé)代表擴展頻(pín)譜chip率分(fēn)速率時(shí)鐘(zhōng)的(de)邊帶分(fēn)量。此時(shí)調制分(fēn)量被用(yòng)來(lái)傳輸擴展頻(pín)譜序列的(de)chip率分(fēn)速率時(shí)鐘(zhōng)信息，總能量被用(yòng)來(lái)對(duì)片上儲能電容充電和(hé)受應答(dá)數據調制并向閱讀器發送應答(dá)，片上儲能電容同時(shí)開始對(duì)片上chip同步提取電路和(hé)應答(dá)信号調制電路單元供電。因此，在閱讀器接收應答(dá)時(shí)段，标簽接收射頻(pín)能量被用(yòng)于标簽繼續充電，chip同步信号提取和(hé)受應答(dá)數據調制并發送應答(dá)。标簽儲能電容處于浮充供電狀态。

總之，除标簽進入閱讀器射頻(pín)場(chǎng)，開始建立電源時(shí)段外，标簽是将全部接收射頻(pín)能量提供倍壓整流電路，對(duì)片上儲能電容充電，藉以建立芯片供電電源。随後，标簽又從所接收的(de)射頻(pín)信号中提取同步，實施指令解調，或進行應答(dá)數據調制發送，這(zhè)都要用(yòng)到所接收的(de)射頻(pín)能量。

3.3 不同應用(yòng)的(de)射頻(pín)能量需求

(1)無線功率傳輸的(de)射頻(pín)能量需求

無線功率傳輸爲标簽建立供電電源，因此既要求提供足以驅動芯片電路的(de)電壓，又要求具有足夠的(de)功率和(hé)持續的(de)供電能力。

無線功率傳輸的(de)電源是在标簽沒有電源的(de)情況下(xià)通(tōng)過接收閱讀器射頻(pín)場(chǎng)能，倍壓整流建立電源，因此，其接收靈敏度受前端檢波二極管管壓降限制，對(duì)于CMOS芯片，倍壓整流接收靈敏度在-11～-0.7dBm之間，是無源标簽的(de)瓶頸。

(2)接收信号檢測的(de)射頻(pín)能量需求

倍壓整流建立芯片供電電源的(de)同時(shí)，标簽要分(fēn)一部分(fēn)接收到的(de)射頻(pín)能提供信号檢測電路，包括指令信号檢測和(hé)同步時(shí)鐘(zhōng)檢測。由于是在标簽已經建立電源的(de)條件下(xià)實施信号檢測，解調靈敏度不受前端檢波二極管管壓降限制，因此接收靈敏度遠(yuǎn)高(gāo)于無線功率傳輸接收靈敏度，而且屬于信号幅度檢測，沒有功率強度要求。

(3)标簽應答(dá)的(de)射頻(pín)能量需求

當标簽應答(dá)發送時(shí)，除需要檢測同步時(shí)鐘(zhōng)外，還(hái)需要對(duì)接收載波(含有時(shí)鐘(zhōng)調制包絡)進行僞PSK調制并實現反向發射。此時(shí)，要求有一定的(de)功率電平，其值取決于閱讀器對(duì)标簽的(de)距離和(hé)閱讀器接收靈敏度。由于閱讀器工作環境允許采用(yòng)較爲複雜(zá)的(de)設計，接收機可(kě)以實現低噪聲前端設計，加以碼分(fēn)射頻(pín)識别采用(yòng)擴展頻(pín)譜調，還(hái)有擴展頻(pín)譜增益和(hé)PSK制度增益，閱讀器靈敏度可(kě)能設計成足夠高(gāo)，以緻對(duì)标簽返回信号要求降到足夠低。

綜上所述，将标簽接收射頻(pín)功率主要分(fēn)配作無線功率傳輸倍壓整流能源，其次分(fēn)配适量的(de)标簽信号檢測電平和(hé)适量的(de)返回調制能量，實現合理(lǐ)的(de)能量分(fēn)配，保證對(duì)儲能電容的(de)持續充電是可(kě)能的(de)、合理(lǐ)的(de)設計。

可(kě)見，無源标簽所接收的(de)射頻(pín)能量有多(duō)種應用(yòng)需求，因此需要有射頻(pín)功率分(fēn)配設計;不同的(de)工作時(shí)段射頻(pín)能量的(de)應用(yòng)需求不一樣，因此需要有按不同工作時(shí)段需求的(de)射頻(pín)功率分(fēn)配設計;不同的(de)應用(yòng)對(duì)射頻(pín)能量的(de)大(dà)小需求不一樣，其中無線功率傳輸要求功率最大(dà)，因此射頻(pín)功率分(fēn)配應當側重無線功率傳輸的(de)需求。

4 總結

UHF RFID無源标簽借助無線功率傳輸建立标簽供電電源，因此，供電效率極低，供電能力很弱，标簽芯片必需采用(yòng)低功耗設計。借助于片上儲能電容充放電實施對(duì)芯片電路供電，因此，爲保證标簽持續工作，必需持續爲儲能電容充電。标簽所接收的(de)射頻(pín)能量有三種不同的(de)應用(yòng)：倍壓整流供電、指令信号接收和(hé)解調、應答(dá)信号調制和(hé)發送，其中，倍壓整流接收靈敏度受整流二極管管壓降的(de)制約，成爲空中接口的(de)瓶頸。爲此，信号接收解調和(hé)應答(dá)信号調制和(hé)發送是RFID系統必需保證的(de)基本功能，倍壓整流标簽供電能力越強，産品越有競争力。因此，标簽系統設計中合理(lǐ)分(fēn)配所接收的(de)射頻(pín)能量的(de)準則是：保證接收信号解調和(hé)應答(dá)信号發送的(de)前提下(xià)，盡可(kě)能增加倍壓整流的(de)射頻(pín)能量供給。