无源RFID标签结构组成以及工作原理
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。
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。
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100ms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。
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。
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