RFID干货专栏｜23 全球知名芯片详解

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的大力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

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全球芯片出货量最大的三家超高频RFID芯片供应商为英频杰Impinj、恩智浦NXP和意联Alien，本节将针对每家公司的一款热卖芯片进行详细分析。分别是Alien的Higgs-3（简称H3），Impinj的Monza4（简称M4），NXP的Ucode7。

1.Alien的Higgs-3芯片

本节第一个介绍的芯片是Alien的Higgs-3芯片，因为Higgs-3芯片代表了一个时代，引领了那个时代的潮流。在那个年代，可以说Higgs-3芯片是国内第一批超高频RFID芯片设计人员心中的最高境界。早在2008年，当时的超高频RFID技术还不够稳定，标签芯片的灵敏度普遍只有-15dBm，稍微困难一点的项目都无法应对，超高频RFID的发展遇到了各种瓶颈。在这个时候Alien推出H3芯片，其-18dBm的灵敏度让世人惊叹，从而推动了香港机场的项目测试实施，给整个超高频RFID行业带来了希望。从此-18dBm成为了行业的门槛，达到-18dBm的芯片才算进入超高频RFID的芯片核心圈。截至2020年的今天，H3的芯片依然在出货，不少的项目仍使用H3芯片，可见H3芯片的经典。

Higgs-3芯片采用0.18umCMOS工艺，一盘Wafer大概6万颗芯片，是最早提出TID96比特的芯片。

Higgs-3芯片具有以下优点：

EPC和User区可以动态配置，EPC可以扩展。实用性强，存储空间大，适用于各种RFID项目。

数据区可以分区锁定，增加安全级别。对于一些特殊项目和安全有要求的项目有特别的效果。

具有动态身份认证功能（DynamicAuthentication ™），其它芯片无法仿造，相当于芯片内有一个加密硬件，与阅读器之间通过私有认证算法进行通信。配合唯一TID可以营造一个完全可靠的物流、防伪、追溯体系。存在最大的缺陷是Alien不开放动态身份认证算法，至今只有Alien的阅读器支持此算法。

2.Impinj的Monza 4芯片

Monza 4芯片一盘Wafer约6万颗，它的出现虽然没有像Higgs-3当年的轰轰烈烈，不过也带来了许多新的功能，同样带动了行业的发展。Monza 4芯片有许多的创新：3D天线、QT功能、Tag-Focus、Fast-ID。

（1）3D天线

谈到Monza4芯片，大家首先想到的是它的真三维天线技术（True3D™ antenna technology）。如图4-44偶极子标签及其方向图所示，偶极子标签在90°和180°会存在巨大的盲点，且整个标签的工作距离在各个方向差别较大，标签随机摆放时最远与最近距离相差6倍，在应用中非常不便利，因此行业迫切需要一款全向性的标签，从而引出了3D全向标签的设计。

图4-44偶极子标签及其方向图

在没有M4芯片之前，工程师们通过天线设计的方式尽力实现3D功能，只是性能不尽如人意。如图4-45所示，是使用M3芯片和圆极化天线设计制作出来的伪3D标签，其工作距离很近，最远不到4米，沿着XY平面旋转时，表现的增益差距超过3dB，如果在XYZ球辐射面分析，会存在约10dB盲点角度，无法达到真正的3D效果。

图4-45传统圆极化标签及其方向图

在M4芯片问世之后，真3D标签也出现了，如图4-46所示，真3D标签较伪3D读取距离大幅提高，最远工作距离与最近工作距离相差1.25倍（方向增益约差小于2dB），且在标签的XYZ轴的任意角度最大增益差小于3dB，是真正的3D标签。

图4-46真3D标签及其方向图

M4标签可以实现真正3D的原因不是改进了天线设计，因为无论如何改进天线设计，在常用Inlay的尺寸和材质下，是无法实现真3D天线设计的。M4标签的真3D源于芯片设计做了整体改造，其芯片由传统的两个管脚馈电变为了四个管脚馈电，如图4-47（a）为M4芯片顶层图，其内部结构也发生了变化，共有两组整流器电路，且两组整流电路之间的相位差为90°，如图4-47（b）所示。关键点在于这个90°的相位差，通过计算或仿真可知，两个相交偶极子天线之间如果相位差为90°，则这个整体天线会成为一个圆极化标签，且从各个方向看都为圆极化，从而实现3D标签。

（a）M4芯片顶层图 （b）M4芯片内部结构图

图4-47M4标签芯片图

关于M4芯片的QT功能在4.3.5中已经进行了介绍，其功能基本一致，只是操作上需要仔细阅读相关文档。

（2）TagFocus

M4还有一个很有特色的命令叫做Tag Focus，当阅读器在Session1工作时，能量弱的标签会有更多的机会与阅读器通信，从而提高多标签效率。这个功能的基本原理为，M4的芯片内部有一个能量检测装置，每个标签根据接收读写器的能量大小记录下来，超过一个阈值的为强标，其他的为弱标。Impinj的阅读器的多标签盘点机制比较特殊，是Session 1从A到B，再从B到A，然后下电，再上电A到B，如此反复。M4的TagFocus机制是在B到A的情况下只有弱标签响应阅读器询问，强标签保持缄默。有过大批量标签读取经验的从业人员都知道，在大批量多标签读取的过程中，读全的时间是由那几个弱标签决定的，很多时候需要反复读取多次才能把所有的弱标签识别到。M4的TagFocus下，弱标签有更多的通信机会，更容易被识别。笔者做过一个项目，在项目中有1024枚标签，如果使用M4芯片和Impinj的R420阅读器（R420默认Tag Focus模式），读全标签的时间为5~10秒，而如果换作其它阅读器或标签，读全的时间需要15~30秒。可以看到这个TagFocus提高了不少效率。该技术对于弱标签的快速识别有非常大的帮助，因此一些芯片厂商也模仿类似的策略。

（3）Fast-ID

M4的Fast-ID命令是一个被广泛应用的扩展指令，根据Gen2协议阅读器进行盘点时（Query Command）标签只是返回EPC数据，而Fast-ID返回的数据为EPC+TID，大大降低了过去协议读取TID的时间。经过笔者测试，使用Fast-ID命令大概是使用传统方式批量读取TID时间的三分之一左右。为了安全管理，许多项目需要同时读取EPC和TID，或只需要TID，且对批量读的速度有要求，此时使用该命令最为合适。

Fast-ID命令对于一些需要同时获得EPC和TID的项目非常有帮助，并获得了市场的广泛认可。

3.NXP的Ucode 7 芯片

NXP的Ucode 7芯片是2013年的产品，采用CMOS0.14μm工艺，一盘芯片约12万颗，在当时的超高频RFID行业算是一个创新产品，成为第一个实现一盘8寸wafer量产12万颗芯片的产品。与此同时，Ucode 7芯片也带来了一些有创新的技术，其中有三个比较重要：EAS、TagPower Indicator、Parallel encoding，由于恩智浦没有给出官方翻译，姑且就将Tag Power Indicator称为标签能量指示技术，将Parallel encoding叫做并行编码技术。

EAS技术，在NXP超高频RFID芯片最早开始使用，一直是NXP的传统，当然Ucode也不例外。其实EAS功能仅占用芯片存储器的一个比特，数字逻辑几乎没有变化，是一个性价比非常高的命令，具体内容可以参照4.1.2节中EAS内容。

（1）Tag Power Indicator

Tag Power Indicator功能主要是为批量生产准备的，因为在生产、卷带测试和初始化的时候，两个Inlay之间的距离非常近（请参照4.1.2的图4-2卷带规格图），这样阅读器很难判断当前的标签是否是被选中的标签，写入的数据很可能写错。如图4-48所示，芯片会根据自己收到的能量和阈值来确定自己是不是被指定的芯片。当然如果采用更合适的近场天线技术解决也可行，不过对环境的要求比较高。如果卷带或产线由于一些原因无法架设合适的近场天线或标签与天线之间的距离受限，最好的办法就是使用Tag Power Indicator技术。

图4-48 Tag Power Indicator工作示意图

Tag Power Indicator和Monza4 芯片的Tag focus命令有相似之处，但应用的场景不同。

（2）Parallel encoding

Parallel encoding并行编码技术是针对传统Gen2协议的批量写操作的。在传统的写标签操作中，必须选中第一个标签，对标签进行写操作，再选中第二个标签写，如图4-49所示。由于标签出厂时的EPC数据区的后35比特已经是唯一的串码，客户应用只需要更改EPC前面的字段即可，且所有标签的写入内容都一样。如果再按照传统的写入方法只会浪费时间。

图4-49传统多个标签写入空中接口通信时序图

经过Ucode 7芯片的改进，在Select命令中加入了编码状态字（encodingbit），再接着发Query=0，即可唤醒所有Ucode7芯片，并同时写入所有数据，如图4-50所示。对于海量服装应用中整箱服装可以不开箱批量写入其产品信息，如箱内有20件衣服，则写入效率提高20倍。在物流盘点时可以实现不停顿通过。超高频RFID批量写入功能最早发明者是Alien Higgs-4芯片的爆炸写功能，不过系统效率是Ucode 7更优。

图4-50Ucode 7 Parallel encoding空中接口通信时序图

4.标签芯片的发展路线

超高频RFID标签芯片至今也有近20年历史，其发展过程中有各种的创新，从早期对灵敏度的追求（2010年之前），到对多种创新功能的追求（2010年到2015年），直到现在主要对成本和稳定性的追求（2015年到2020年）。

由于超高频RFID行业发展已经相对稳定，其传统物流零售应用的标签芯片已经趋于稳定，这类芯片的发展方向是成本更低。对于半导体芯片降低成本的唯一办法就是芯片的面积减小。芯片的面积减小会带来封装良率的下降和封装成本的上升，这也是全球主流芯片厂商采用类Enduro的大Pad方案。即使如此，如果芯片的尺寸减小太多，会带来封装成本的大幅上升，从而导致整体成本上升而得不偿失。所以芯片的尺寸不会不断的下降，因此芯片的成本下降空间不大。现阶段的芯片成本的发展趋势依然在不断下降过程中，只是相对比较缓慢。

全球各大厂商对超高频RFID标签的灵敏度不断努力，截至2020年行业内灵敏度最高的标签芯片当属Impinj公司的M700系列，其灵敏度可达-22dBm。从2008年的AlienH3芯片到2020年的Impinj M700芯片，这12年间标签芯片的灵敏度只是提升了4dB。灵敏度由于受半导体工艺的限制提升空间很有限，只能采用AutoTune和Enduro等技术略微提高整体系统的灵敏度。由于更好的半导体工艺成本高，对于现在已经利润率不高的超高频RFID芯片无法触及，再加上现在系统的灵敏度已经足够满足绝大多数的应用，通过半导体工艺改善灵敏度暂时行不通。当然即使换了更好的半导体工艺，其芯片灵敏度提升空间也不大;即使芯片灵敏度有一定的提升，阅读器的灵敏度也需要做较大的革新才能满足系统的需要。当然各大半导体厂商依然在追求更好的灵敏度，只不过采用的手段多为通过一些小创新或外围辅助手段。

对于非传统类的超高频RFID芯片，属于定制芯片，如中国国家电网的资产管理标签芯片，就是采用国家标准带有安全加密的超高频RFID芯片；如国家电子车牌的芯片以及一些军工应用；如一些需要大容量或高低温等特殊应用的芯片。这些芯片总体出货量不大，但单价高，对应用的适配性好。

总结来说，标签芯片的发展路径有两条，一条是传统业务的标签芯片，主要由国际厂商提供，其发展方向是性能更好、成本更低；另外一条是针对定制业务的标签芯片，其特点是更贴近特种应用，对成本不敏感但对于特定应用要求非常严格。