技术
0 引言
近年来物联网是人们普遍关注的一项新技术，射频识别技术作为物联网的一个关键技术，得到迅速的发展。目前在实际应用中的电子标签大多基于单频段的RFID技术，不能满足远近系统精准化的管理以及其他业务需求[1]。有些公司提出把两个单频的电子标签复合在一起组成一个双频的电子标签，虽然在一定程度上满足了业务需求，但两个单频的标签相互独立，使用起来不方便。本文提出一种集成的双频RFID电子标签芯片，可以把两个或多个频段的电子标签集成在一颗芯片里，使两个频段共用芯片的电源、中央控制逻辑电路和存储器，实现两个频段的相互协调工作，避免两个频段同时工作产生电源冲突和读写存储器的冲突问题。
1 现有的双频RFID标签解决方案
针对现有的单频段RFID电子标签不能同时满足远近距离、高速识别、高穿透力的应用需求，行业提出一种复合的双频RFID电子标签，如图1所示，复合的电子标签包括两个部分：第一频段的电子标签和第二频段的电子标签，两个频段的标签相互独立，它们有各自的芯片和天线，它们组合在一起封装在一个装配体（标签外壳）中形成一个双频段电子标签[2]。虽然两个频段的标签相互独立，但在实际应用中它们的数据需要相互关联或共享，就需要在两个标签芯片中写入相同的数据，比如TID和UID数据，即相同的数据需要写两遍。
2 本文提出的双频RFID标签芯片
2.1 本文提出的双频标签芯片系统方案
图2是本文提出的无源双频RFID电子标签芯片系统方案。包括第一频段的射频前端电路模块和第二频段的射频前端电路模块、状态检测电路模块、中央控制逻辑电路模块、电源电路模块、存储器电路等。两个射频模块分别处理两个频段射频信号的接收、解调和发送。电源模块把两个射频模块接收的电能转换成电压稳定的直流电源，为芯片的各模块供电。状态检测模块检测两个频段射频端口的激活状态，识别出哪个频段被激活，并把该频段的激活状态信息传递给中央控制逻辑电路模块。中央控制逻辑电路模块根据相关的RFID通信协议标准解析两个射频前端接收的指令并响应指令、读写存储器以及返回相关的数据，并依据两个射频端口的激活状态指示信号确定两个频段读写存储器的优先次序。两个频段共用电源、存储器、中央控制逻辑电路，可以使两个频段相互协调工作，实现存储数据的共享，避免两个频段同时工作时出现电源电压相互冲突问题和两个频段同时读写存储器的冲突问题。
2.2 本文设计的LF+UHF双频标签芯片
依据图2所述的系统方案，本文设计了一款集成低频段（LF）和超高频段(UHF)的无源双频RFID标签芯片电路。低频段遵守ISO 11784和ISO 11785协议标准，超高频段遵守ISO 18000-6C协议标准。芯片有低频端口和超高频端口，分别接低频标签天线和超高频标签天线，接收低频和超高频射频信号。两个射频端口可单独连接低频或超高频天线制成低频或超高频单频段电子标签，也可以同时连接一个低频天线和一个超高频天线制成双频电子标签。当该芯片制成双频电子标签时，在低频和超高频同时激活时，低频工作优先，芯片会自动切换到低频工作模式；在只有一种低频或超高频单独激活时，该电子标签芯片自动选择相对应频段的工作模式。
芯片的低频段和超高频段共用存储器，有相同的TID号，相同的数据只需写一次即可，并且存储用户区的数据共享。
2.3 电源管理模块
在本文提出的双频RFID标签芯片方案中，解决两个频段同时工作时产生电源冲突和读写存储器冲突问题的关键在于电源管理模块。使用统一的电源供电和状态检测，使各种冲突问题迎刃而解。因此下面重点阐述双频RFID标签芯片的电源管理电路，对于单个频段的射频前端电路，在很多文献中都有详细描述，本文不再赘述。
双频RFID标签芯片中，两个频段既可以单独工作，也可以同时工作，因此芯片既可以由低频端口的磁场供电，也可以由超高频端口的电磁场供电，并且两边的供电压都有较大的变化范围。芯片电源管理电路的功能就是管理低频和超高频的供电电源，使它们对系统供电时不产生冲突。当标签处于低频磁场中，LF状态检测电路检测低频段的电压，当其达到设定的电压阈值时就输出低频激活状态信号，使数字电路切换到低频工作模式，实现低频工作优先，解决两个频段同时读存储器的冲突问题。
2.3.1 UHF端的整流电路
超高频端的电源恢复电路采用电荷泵整流电路，如图3所示。将从天线接收下来的UHF射频信号恢复出直流电源VDU，为芯片的后续电路提供原始的电源。图3中采用Dickson倍压电路结构[3-4]，MOS管采用二极管接法。输出电压与输入电压的关系如式(1)：
式(1)中的N为倍压电路的级数，Vth为MOS管的阈值电压。电源转换效率公式如式(2)：
式(2)中Iin为输入端的射频信号瞬态电流，Vin为输入端的射频信号瞬态电压，Iout为输出端的直流电流，Vout为输出端的直流电压。
式(1)中可以看出，随着N的增大，输出电压会不断增大，但在实际中由于MOS管存在寄生效应和衬底效应，电源的转换效率随着级数的增加会不断降低，同时转换效率与MOS管的宽度也存在一定的关系，所以需要在输出电压以及电源效率转换间进行折中。通过对电路的优化，最后采用6级倍压结构。
2.3.2 LF端的整流电路
图4是低频端的整流电路，采用NMOS栅交叉连接全波桥式整流电路[5]，把低频射频信号变成直流电源VDL，为芯片的后续电路提供原始的电源。此电路有一对二极管连接的NMOS管，电路从天线到负载电容有阈值电压Vth的压降，因此NMOS管应选用低阈值的MOS管。
