一种超高频射频识别电子标签芯片的制作方法
【专利摘要】一种超高频射频识别电子标签芯片，包括射频前端电路和数字基带电路；射频前端电路的整流电路通过L型阻抗匹配电路与电子标签的天线连接；L型阻抗匹配电路的两条支路分别包括电抗器件Zs和电抗器件Zp；电抗器件Zp并联在整流电路的两个输入端之间；电抗器件Zs连接于整流电路的一个输入端与电抗器件Zp的一端之间；电抗器件Zp的两端分别与天线连接。与现有技术相比，本实用新型提供的一种超高频射频识别电子标签芯片，利用L型阻抗匹配电路匹配的调节功能，将标签芯片的输入阻抗Q值增大，有利于标签芯片和小型化天线的匹配。
【专利说明】一种超高频射频识别电子标签芯片
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种电子标签芯片，具体涉及一种超高频射频识别电子标签芯 片。
【背景技术】
[0002] 射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID)是20 世纪90年代开始兴 起的一种自动识别技术，该技术利用射频信号通过空间耦合，即交变磁场或电磁场，实现无 接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。射频识别技术以其自身的特点正在物 流供应链、食品药品溯源、车辆交通管理和门禁身份识别等领域发挥着越来越重要的作用。
[0003] 射频识别系统由电子标签、阅读器及上位机三部分组成，其中电子标签由天线和 芯片两部分构成。射频识别系统可工作于低频、高频、超高频及微波频段，其中超高频RFID 系统由于工作距离远、读取速度快、识别效率高、成本低廉、无需外接电池等优点，越来越受 到各个行业应用的高度关注。超高频RFID电子标签的工作原理是通过标签天线耦合阅读 器发射的电磁信号并从中获取能量和有用信息实现通信，天线和芯片之间的阻抗匹配程度 直接影响识别距离和通信效率。在纷繁复杂的应用体系中，由于环境和空间的限制，标签天 线的设计受到诸多影响，而由于超高频射频识别的工作频段限定为900MHz左右，其特征波 长为30cm左右，这就决定了超高频标签天线的尺寸应为IOcm数量级，这一客观原因导致了 普通超高频标签在Icm尺度下无法很好工作，例如在酒类瓶盖内部，药品内部，珠宝首饰铭 牌等应用场景，大标签无法与目标物品匹配的情况下，小型化天线势必导致天线的Q值过 高，与普通低Q值大带宽的标签芯片无法进行阻抗匹配，直接影响标签的正常工作。解决该 问题的唯一方法就是要提供一种能够匹配天线阻抗，具有高Q值低宽带的超高频射频识别 电子标签芯片，从而保证标签正常工作。
【发明内容】
[0004] 为了满足现有技术的需要，本实用新型提供了一种超高频射频识别电子标签芯 片，所述标签芯片包括射频如端电路和数字基带电路；所述射频如端电路包括整流电路、稳 压限流电路、解调电路、调制电路、时钟产生电路和上电复位电路；所述整流电路与电子标 签的天线连接，所述整流电路通过L型阻抗匹配电路与所述天线连接。
[0005] 优选的，所述L型阻抗匹配电路的两条支路分别包括电抗器件Zs和电抗器件Zp ;
[0006] 优选的，所述电抗器件Zp并联在所述标签芯片中整流电路的两个输入端之间；所 述电抗器件Zs连接于所述整流电路的一个输入端与所述电抗器件Zp的一端之间；
[0007] 所述电抗器件Zp的两端分别与电子标签的天线连接；
[0008] 优选的，L型阻抗匹配电路设置在标签芯片的顶层金属上；
[0009] 优选的，所述电抗器件Zs和电抗器件Zp均为所述顶层金属的沿边产生的寄生电 容；
[0010] 优选的，所述电抗器件Zs和电抗器件Zp均为插指排布的寄生电容；
[0011] 优选的，所述电抗器件Zs和电抗器件Zp均为电感。
[0012] 与最接近的现有技术相比，本实用新型的优异效果是：
[0013] 1、本实用新型技术方案中，超高频射频识别电子标签芯片中增加L型阻抗匹配电 路，利用匹配网络的调节功能，将芯片的输入阻抗Q值增大，有利于标签芯片和小型化天线 的匹配；
[0014] 2、本实用新型技术方案中，L型阻抗匹配电路的电抗器件采用标签芯片顶层金属 边沿产生的寄生电容，在不增加制造成本和芯片面积的前提下，加入匹配网络电路，体现低 成本优势。
[0015] 3、本实用新型技术方案中，寄生电容采用插指排布设计，利用插指状排布的方式， 最大限度的增加电容密度，有效利用芯片面积。同时加入顶层金属引入的插指电容同时可 以掩蔽金属下方的敏感射频器件和ESD器件，使其不受外部电磁噪声的干扰，保证通信的 高稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0017] 图1 :本实用新型实施例中的超1?频射频识别电子标签俯视图；
[0018] 图2 :本实用新型实施例中的超高频射频识别电子标签剖视图；
[0019] 图3 :超商频射频识别电子标签的原理不意图；
[0020] 图4 :图1中L型阻抗匹配电路的原理示意图；
[0021] 图5 :本实用新型实施例中超高频射频识别电子标签芯片的输入阻抗在史密斯阻 抗原图上的变化轨迹；
[0022] 图6 :本实用新型实施例中插指电容的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型 的限制。
[0024] 当前超高频射频识别电子标签由于成本的限制，其标签芯片内没有匹配网络，且 普通的低Q值宽带匹配的电子标签对狭小空间嵌入使用的适应性不好。
[0025] 另外，为了使得整个超高频射频识别电子标签功率传输最大化，需要将标签天线 的设计阻抗和标签芯片达到共轭匹配，也就是=i? +JT ;此时标签输入阻抗和天 线等效阻抗的品质因数相等，即Q = R/X ;-般来说，芯片的输入阻抗和芯片的电路结构以 及功耗情况直接相关，目前大多数产品的Q值在5-15之间，因此需要将标签天线的Q值调 整到5-15之间实现识别距离最大化。
[0026] 标签天线阻抗的实部表征天线的辐射阻抗，也就是一个天线对外辐射能量的能 力；虚部表征天线通过折叠和闭环得到的等效电抗数值，是调整Q值的有效手段。但是在一 些空间受限或者环境恶劣的情况下，如酒类瓶盖内部，药品内部等应用环境，天线辐射能力 大大降低，直接导致天线的辐射阻抗急剧减小，而Q值急剧升高，这样标签芯片和标签天线 的阻抗严重失配，大大降低识别距离和通信效率。
[0027] -、本实用新型提供的超高频射频识别电子标签芯片，通过增加阻抗匹配电路能 够任意调节标签芯片的输入阻抗的品质因数Q值，如图1和图2所示超高频射频识别电子 标签芯片包括射频如端电路、数字基带电路和存储器；如图3所不，射频如端电路包括整流 电路、稳压限流保护电路、反向散射调制电路、时钟产生电路和上电复位电路，其中整流电 路与电子标签的天线连接；
[0028] 如图3所示，本实施例中将整流电路与L型阻抗匹配电路连接后再接入天线。如 图4所示，L型阻抗匹配电路的两条支路分别包括电抗器件Zs和电抗器件Zp ;电抗器件Zp 并联在标签芯片中整流电路的两个输入端之间；电抗器件Zs连接于整流电路的一个输入 端与电抗器件Zp的一端之间；电抗器件Zp的两端分别与电子标签的天线连接。
[0029] 本实施例中电抗器件Zs和电抗器件Zp包括：
[0030] ①：L型阻抗匹配电路设置在标签芯片的顶层金属上，电抗器件Zs和电抗器件Zp 均为所述顶层金属的沿边产生的寄生电容，该寄生电容为插指排布的寄生电容，如图6所 /Jn 〇
[0031] ②：电抗器件Zs和电抗器件Zp还可以均采用电感。
[0032] 二、本实用新型提供的超高频射频识别电子标签芯片的工作原理为：
[0033] 如图4所示，标签芯片输入阻抗的等效电路为电阻并联电容的二端网络，输入端 子为RF+和RF-，本实施例中L型阻抗匹配电路的电抗器件Zs与等效电路中电阻和电容组 成的并联支路串联；电抗器件Zp并联在并联支路和电抗器件Zs的连接支路的两端。
[0034] 当电抗器件Zs和电抗器件Zp若均为标签芯片顶层金属的沿边产生的寄生电容 时，该寄生电容图可以等效为AB两点之间接入了电容Cf，而整个电容位于标签芯片内部电 路的上方，并不额外占用芯片面积；同时由于只使用了一层金属，如果芯片需要修改为普通 产品，只要修改一层金属的掩膜板（Mask)即可达到目的，产品切换的成本非常低。
[0035] 三、通过L型阻抗匹配电路调整标签芯片的输入阻抗的过程为：
[0036] 调整电抗器件Zs和电抗器件Zp的电抗值的大小从而改变标签芯片的输入阻抗品 质因数Qdlip ;品质因数Qdlip = XdlirZRdlip, Xdlip为标签芯片的等效电抗值，Rdlip为标签芯片的 等效电阻值；其中，输入阻抗品质因数Qdlip与超高频射频识别电子标签天线的品质因数Qant相等。
[0037] 如图5所示，当没有L型阻抗匹配电路的标签芯片阻抗为容性阻抗，位于图5中Zca处，增加L型阻抗匹配电路后，阻抗位置发生了两次移动，达到图5中Zc^处，从阻抗圆图相 对位置可知，阻抗Zc^的Q值明显高于Zca，通过选择不同大小的电抗元件，可以自由调节阻 抗移动的路线和最终的位置，达到任意调节芯片输入阻抗Q值的目的。
[0038] 标签芯片的工作频宽：
[0039] 超高频射频识别系统的工作频率集中在900MHz频段，依据《800/900MHZ频段射频 识别（RFID)技术应用规定（试行）》，超高频射频识别产品应该工作在840MHz?845MHz和 920MHz?925MHz两个频段，每个频段内的通信带宽为5MHz。本发明实施例中增加L型阻 抗匹配电路后芯片的工作频宽为5MHz，从而满足标准GB/T 29768-2013,即"《信息技术射 频识别800/900MHZ空中接口协议》"对电子标签的工作要求：满足电子标签对产品识别标 签的信息识别要求，主要是满足如酒类瓶盖内部，药品内部等空间受限或者环境恶劣的情 况下对产品识别标签的信息识别要求。
[0040] 四、本实用新型提供的一个具体实施例为：
[0041] 如图4所示，标签芯片的输入阻抗等效电路中R= 1550 Q，电容C = 0. 83pF，
[0042] 当不加入L型阻抗匹配电路时：计算得到922MHz频点，等效输入阻抗Zc = 27. 4-204. 3j，品质因数Q = 7.5 ;如果标签天线的Q值很高例如Q = 100,不妨设天线阻 抗Za = l+100j，此时由于阻抗严重失配导致强烈的能量反射，经过计算反射系数Sll = 0. 995,等效进入标签芯片内部的能量不足总能量的1 %，即绝大多数能量都浪费了，这将大 大影响系统效率，甚至无法保证系统正常工作。
[0043] 当加入L型阻抗匹配电路时，如电抗器件Zs = 0. 5pF，电抗器件Zp = I. 42pF :标 签芯片的输入阻抗被调整到Zc = 0.9-99.6j，经过计算反射系数Sll = 0.22,等效进入标 签芯片内部的能量达到了总能量的95%以上，对整个电子标签效率的提升是巨大的。
[0044] 最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实 施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
【权利要求】
1. 一种超高频射频识别电子标签芯片，所述标签芯片包括射频前端电路和数字基带电 路；所述射频前端电路包括整流电路、稳压限流电路、解调电路、调制电路、时钟产生电路和 上电复位电路；所述整流电路与电子标签的天线连接，其特征在于，所述整流电路通过L型 阻抗匹配电路与所述天线连接。
2. 如权利要求1所述的一种超高频射频识别电子标签芯片，其特征在于，所述L型阻抗 匹配电路的两条支路分别包括电抗器件Zs和电抗器件Zp。
3. 如权利要求2所述的一种超高频射频识别电子标签芯片，其特征在于，所述电抗器 件Zp并联在所述标签芯片中整流电路的两个输入端之间；所述电抗器件Zs连接于所述整 流电路的一个输入端与所述电抗器件Zp的一端之间； 所述电抗器件Zp的两端分别与电子标签的天线连接。
4. 如权利要求3所述的一种超高频射频识别电子标签芯片，其特征在于，L型阻抗匹配 电路设置在标签芯片的顶层金属上。
5. 如权利要求4所述的一种超高频射频识别电子标签芯片，其特征在于，所述电抗器 件Zs和电抗器件Zp均为所述顶层金属的沿边产生的寄生电容。
6. 如权利要求5所述的一种超高频射频识别电子标签芯片，其特征在于，所述电抗器 件Zs和电抗器件Zp均为插指排布的寄生电容。
7. 如权利要求3所述的一种超高频射频识别电子标签芯片，其特征在于，所述电抗器 件Zs和电抗器件Zp均为电感。
【文档编号】G06K19/073GK204143481SQ201420596409
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】管超, 郝先人 申请人:睿芯联科（北京）电子科技有限公司