RFID干貨專欄｜23 全球知名芯片詳解

RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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全球芯片出貨量最大的三家超高頻RFID芯片供應(yīng)商為英頻杰Impinj、恩智浦NXP和意聯(lián)Alien，本節(jié)將針對每家公司的一款熱賣芯片進(jìn)行詳細(xì)分析。分別是Alien的Higgs-3（簡稱H3），Impinj的Monza4（簡稱M4），NXP的Ucode7。

1.Alien的Higgs-3芯片

本節(jié)第一個介紹的芯片是Alien的Higgs-3芯片，因為Higgs-3芯片代表了一個時代，引領(lǐng)了那個時代的潮流。在那個年代，可以說Higgs-3芯片是國內(nèi)第一批超高頻RFID芯片設(shè)計人員心中的最高境界。早在2008年，當(dāng)時的超高頻RFID技術(shù)還不夠穩(wěn)定，標(biāo)簽芯片的靈敏度普遍只有-15dBm，稍微困難一點的項目都無法應(yīng)對，超高頻RFID的發(fā)展遇到了各種瓶頸。在這個時候Alien推出H3芯片，其-18dBm的靈敏度讓世人驚嘆，從而推動了香港機(jī)場的項目測試實施，給整個超高頻RFID行業(yè)帶來了希望。從此-18dBm成為了行業(yè)的門檻，達(dá)到-18dBm的芯片才算進(jìn)入超高頻RFID的芯片核心圈。截至2020年的今天，H3的芯片依然在出貨，不少的項目仍使用H3芯片，可見H3芯片的經(jīng)典。

Higgs-3芯片采用0.18umCMOS工藝，一盤Wafer大概6萬顆芯片，是最早提出TID96比特的芯片。

Higgs-3芯片具有以下優(yōu)點：

EPC和User區(qū)可以動態(tài)配置，EPC可以擴(kuò)展。實用性強(qiáng)，存儲空間大，適用于各種RFID項目。

數(shù)據(jù)區(qū)可以分區(qū)鎖定，增加安全級別。對于一些特殊項目和安全有要求的項目有特別的效果。

具有動態(tài)身份認(rèn)證功能（DynamicAuthentication ™），其它芯片無法仿造，相當(dāng)于芯片內(nèi)有一個加密硬件，與閱讀器之間通過私有認(rèn)證算法進(jìn)行通信。配合唯一TID可以營造一個完全可靠的物流、防偽、追溯體系。存在最大的缺陷是Alien不開放動態(tài)身份認(rèn)證算法，至今只有Alien的閱讀器支持此算法。

2.Impinj的Monza 4芯片

Monza 4芯片一盤Wafer約6萬顆，它的出現(xiàn)雖然沒有像Higgs-3當(dāng)年的轟轟烈烈，不過也帶來了許多新的功能，同樣帶動了行業(yè)的發(fā)展。Monza 4芯片有許多的創(chuàng)新：3D天線、QT功能、Tag-Focus、Fast-ID。

（1）3D天線

談到Monza4芯片，大家首先想到的是它的真三維天線技術(shù)（True3D™ antenna technology）。如圖4-44偶極子標(biāo)簽及其方向圖所示，偶極子標(biāo)簽在90°和180°會存在巨大的盲點，且整個標(biāo)簽的工作距離在各個方向差別較大，標(biāo)簽隨機(jī)擺放時最遠(yuǎn)與最近距離相差6倍，在應(yīng)用中非常不便利，因此行業(yè)迫切需要一款全向性的標(biāo)簽，從而引出了3D全向標(biāo)簽的設(shè)計。

圖4-44偶極子標(biāo)簽及其方向圖

在沒有M4芯片之前，工程師們通過天線設(shè)計的方式盡力實現(xiàn)3D功能，只是性能不盡如人意。如圖4-45所示，是使用M3芯片和圓極化天線設(shè)計制作出來的偽3D標(biāo)簽，其工作距離很近，最遠(yuǎn)不到4米，沿著XY平面旋轉(zhuǎn)時，表現(xiàn)的增益差距超過3dB，如果在XYZ球輻射面分析，會存在約10dB盲點角度，無法達(dá)到真正的3D效果。

圖4-45傳統(tǒng)圓極化標(biāo)簽及其方向圖

在M4芯片問世之后，真3D標(biāo)簽也出現(xiàn)了，如圖4-46所示，真3D標(biāo)簽較偽3D讀取距離大幅提高，最遠(yuǎn)工作距離與最近工作距離相差1.25倍（方向增益約差小于2dB），且在標(biāo)簽的XYZ軸的任意角度最大增益差小于3dB，是真正的3D標(biāo)簽。

圖4-46真3D標(biāo)簽及其方向圖

M4標(biāo)簽可以實現(xiàn)真正3D的原因不是改進(jìn)了天線設(shè)計，因為無論如何改進(jìn)天線設(shè)計，在常用Inlay的尺寸和材質(zhì)下，是無法實現(xiàn)真3D天線設(shè)計的。M4標(biāo)簽的真3D源于芯片設(shè)計做了整體改造，其芯片由傳統(tǒng)的兩個管腳饋電變?yōu)榱怂膫€管腳饋電，如圖4-47（a）為M4芯片頂層圖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，共有兩組整流器電路，且兩組整流電路之間的相位差為90°，如圖4-47（b）所示。關(guān)鍵點在于這個90°的相位差，通過計算或仿真可知，兩個相交偶極子天線之間如果相位差為90°，則這個整體天線會成為一個圓極化標(biāo)簽，且從各個方向看都為圓極化，從而實現(xiàn)3D標(biāo)簽。

（a）M4芯片頂層圖 （b）M4芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4-47M4標(biāo)簽芯片圖

關(guān)于M4芯片的QT功能在4.3.5中已經(jīng)進(jìn)行了介紹，其功能基本一致，只是操作上需要仔細(xì)閱讀相關(guān)文檔。

（2）TagFocus

M4還有一個很有特色的命令叫做Tag Focus，當(dāng)閱讀器在Session1工作時，能量弱的標(biāo)簽會有更多的機(jī)會與閱讀器通信，從而提高多標(biāo)簽效率。這個功能的基本原理為，M4的芯片內(nèi)部有一個能量檢測裝置，每個標(biāo)簽根據(jù)接收讀寫器的能量大小記錄下來，超過一個閾值的為強(qiáng)標(biāo)，其他的為弱標(biāo)。Impinj的閱讀器的多標(biāo)簽盤點機(jī)制比較特殊，是Session 1從A到B，再從B到A，然后下電，再上電A到B，如此反復(fù)。M4的TagFocus機(jī)制是在B到A的情況下只有弱標(biāo)簽響應(yīng)閱讀器詢問，強(qiáng)標(biāo)簽保持緘默。有過大批量標(biāo)簽讀取經(jīng)驗的從業(yè)人員都知道，在大批量多標(biāo)簽讀取的過程中，讀全的時間是由那幾個弱標(biāo)簽決定的，很多時候需要反復(fù)讀取多次才能把所有的弱標(biāo)簽識別到。M4的TagFocus下，弱標(biāo)簽有更多的通信機(jī)會，更容易被識別。筆者做過一個項目，在項目中有1024枚標(biāo)簽，如果使用M4芯片和Impinj的R420閱讀器（R420默認(rèn)Tag Focus模式），讀全標(biāo)簽的時間為5~10秒，而如果換作其它閱讀器或標(biāo)簽，讀全的時間需要15~30秒?？梢钥吹竭@個TagFocus提高了不少效率。該技術(shù)對于弱標(biāo)簽的快速識別有非常大的幫助，因此一些芯片廠商也模仿類似的策略。

（3）Fast-ID

M4的Fast-ID命令是一個被廣泛應(yīng)用的擴(kuò)展指令，根據(jù)Gen2協(xié)議閱讀器進(jìn)行盤點時（Query Command）標(biāo)簽只是返回EPC數(shù)據(jù)，而Fast-ID返回的數(shù)據(jù)為EPC+TID，大大降低了過去協(xié)議讀取TID的時間。經(jīng)過筆者測試，使用Fast-ID命令大概是使用傳統(tǒng)方式批量讀取TID時間的三分之一左右。為了安全管理，許多項目需要同時讀取EPC和TID，或只需要TID，且對批量讀的速度有要求，此時使用該命令最為合適。

Fast-ID命令對于一些需要同時獲得EPC和TID的項目非常有幫助，并獲得了市場的廣泛認(rèn)可。

3.NXP的Ucode 7 芯片

NXP的Ucode 7芯片是2013年的產(chǎn)品，采用CMOS0.14μm工藝，一盤芯片約12萬顆，在當(dāng)時的超高頻RFID行業(yè)算是一個創(chuàng)新產(chǎn)品，成為第一個實現(xiàn)一盤8寸wafer量產(chǎn)12萬顆芯片的產(chǎn)品。與此同時，Ucode 7芯片也帶來了一些有創(chuàng)新的技術(shù)，其中有三個比較重要：EAS、TagPower Indicator、Parallel encoding，由于恩智浦沒有給出官方翻譯，姑且就將Tag Power Indicator稱為標(biāo)簽?zāi)芰恐甘炯夹g(shù)，將Parallel encoding叫做并行編碼技術(shù)。

EAS技術(shù)，在NXP超高頻RFID芯片最早開始使用，一直是NXP的傳統(tǒng)，當(dāng)然Ucode也不例外。其實EAS功能僅占用芯片存儲器的一個比特，數(shù)字邏輯幾乎沒有變化，是一個性價比非常高的命令，具體內(nèi)容可以參照4.1.2節(jié)中EAS內(nèi)容。

（1）Tag Power Indicator

Tag Power Indicator功能主要是為批量生產(chǎn)準(zhǔn)備的，因為在生產(chǎn)、卷帶測試和初始化的時候，兩個Inlay之間的距離非常近（請參照4.1.2的圖4-2卷帶規(guī)格圖），這樣閱讀器很難判斷當(dāng)前的標(biāo)簽是否是被選中的標(biāo)簽，寫入的數(shù)據(jù)很可能寫錯。如圖4-48所示，芯片會根據(jù)自己收到的能量和閾值來確定自己是不是被指定的芯片。當(dāng)然如果采用更合適的近場天線技術(shù)解決也可行，不過對環(huán)境的要求比較高。如果卷帶或產(chǎn)線由于一些原因無法架設(shè)合適的近場天線或標(biāo)簽與天線之間的距離受限，最好的辦法就是使用Tag Power Indicator技術(shù)。

圖4-48 Tag Power Indicator工作示意圖

Tag Power Indicator和Monza4 芯片的Tag focus命令有相似之處，但應(yīng)用的場景不同。

（2）Parallel encoding

Parallel encoding并行編碼技術(shù)是針對傳統(tǒng)Gen2協(xié)議的批量寫操作的。在傳統(tǒng)的寫標(biāo)簽操作中，必須選中第一個標(biāo)簽，對標(biāo)簽進(jìn)行寫操作，再選中第二個標(biāo)簽寫，如圖4-49所示。由于標(biāo)簽出廠時的EPC數(shù)據(jù)區(qū)的后35比特已經(jīng)是唯一的串碼，客戶應(yīng)用只需要更改EPC前面的字段即可，且所有標(biāo)簽的寫入內(nèi)容都一樣。如果再按照傳統(tǒng)的寫入方法只會浪費(fèi)時間。

圖4-49傳統(tǒng)多個標(biāo)簽寫入空中接口通信時序圖

經(jīng)過Ucode 7芯片的改進(jìn)，在Select命令中加入了編碼狀態(tài)字（encodingbit），再接著發(fā)Query=0，即可喚醒所有Ucode7芯片，并同時寫入所有數(shù)據(jù)，如圖4-50所示。對于海量服裝應(yīng)用中整箱服裝可以不開箱批量寫入其產(chǎn)品信息，如箱內(nèi)有20件衣服，則寫入效率提高20倍。在物流盤點時可以實現(xiàn)不停頓通過。超高頻RFID批量寫入功能最早發(fā)明者是Alien Higgs-4芯片的爆炸寫功能，不過系統(tǒng)效率是Ucode 7更優(yōu)。

圖4-50Ucode 7 Parallel encoding空中接口通信時序圖

4.標(biāo)簽芯片的發(fā)展路線

超高頻RFID標(biāo)簽芯片至今也有近20年歷史，其發(fā)展過程中有各種的創(chuàng)新，從早期對靈敏度的追求（2010年之前），到對多種創(chuàng)新功能的追求（2010年到2015年），直到現(xiàn)在主要對成本和穩(wěn)定性的追求（2015年到2020年）。

由于超高頻RFID行業(yè)發(fā)展已經(jīng)相對穩(wěn)定，其傳統(tǒng)物流零售應(yīng)用的標(biāo)簽芯片已經(jīng)趨于穩(wěn)定，這類芯片的發(fā)展方向是成本更低。對于半導(dǎo)體芯片降低成本的唯一辦法就是芯片的面積減小。芯片的面積減小會帶來封裝良率的下降和封裝成本的上升，這也是全球主流芯片廠商采用類Enduro的大Pad方案。即使如此，如果芯片的尺寸減小太多，會帶來封裝成本的大幅上升，從而導(dǎo)致整體成本上升而得不償失。所以芯片的尺寸不會不斷的下降，因此芯片的成本下降空間不大?，F(xiàn)階段的芯片成本的發(fā)展趨勢依然在不斷下降過程中，只是相對比較緩慢。

全球各大廠商對超高頻RFID標(biāo)簽的靈敏度不斷努力，截至2020年行業(yè)內(nèi)靈敏度最高的標(biāo)簽芯片當(dāng)屬Impinj公司的M700系列，其靈敏度可達(dá)-22dBm。從2008年的AlienH3芯片到2020年的Impinj M700芯片，這12年間標(biāo)簽芯片的靈敏度只是提升了4dB。靈敏度由于受半導(dǎo)體工藝的限制提升空間很有限，只能采用AutoTune和Enduro等技術(shù)略微提高整體系統(tǒng)的靈敏度。由于更好的半導(dǎo)體工藝成本高，對于現(xiàn)在已經(jīng)利潤率不高的超高頻RFID芯片無法觸及，再加上現(xiàn)在系統(tǒng)的靈敏度已經(jīng)足夠滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用，通過半導(dǎo)體工藝改善靈敏度暫時行不通。當(dāng)然即使換了更好的半導(dǎo)體工藝，其芯片靈敏度提升空間也不大;即使芯片靈敏度有一定的提升，閱讀器的靈敏度也需要做較大的革新才能滿足系統(tǒng)的需要。當(dāng)然各大半導(dǎo)體廠商依然在追求更好的靈敏度，只不過采用的手段多為通過一些小創(chuàng)新或外圍輔助手段。

對于非傳統(tǒng)類的超高頻RFID芯片，屬于定制芯片，如中國國家電網(wǎng)的資產(chǎn)管理標(biāo)簽芯片，就是采用國家標(biāo)準(zhǔn)帶有安全加密的超高頻RFID芯片；如國家電子車牌的芯片以及一些軍工應(yīng)用；如一些需要大容量或高低溫等特殊應(yīng)用的芯片。這些芯片總體出貨量不大，但單價高，對應(yīng)用的適配性好。

總結(jié)來說，標(biāo)簽芯片的發(fā)展路徑有兩條，一條是傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的標(biāo)簽芯片，主要由國際廠商提供，其發(fā)展方向是性能更好、成本更低；另外一條是針對定制業(yè)務(wù)的標(biāo)簽芯片，其特點是更貼近特種應(yīng)用，對成本不敏感但對于特定應(yīng)用要求非常嚴(yán)格。