RFID的使用環境是讀取率高低的關鍵因素，該環境可能包含許多反射和吸收表面及其他的標籤。此外，辦公室和工業場所普遍使用其他RF系統的情形，則意謂著RFID系統的周遭會有其它強大的RF射極在運作，只不過是在不同的頻帶內。本文主要探討如何使用整合的EDA(電子設計自動化)工具來克服這些設計挑戰。
RFID系統設計人員非常關心射頻辨識(RFID)讀取機與標籤之間的交互作用。由於被動式RFID標籤是從入射RF能量的整流獲得工作所需的動力，所以設計人員必須能夠提升該過程的效率才行。在可能影響系統效能的一些重要因素中，RFID的使用環境是一大考量，該環境可能包含許多反射和吸收表面及其他的標籤。此外，辦公室和工業場所普遍使用其他RF系統的情形，則意謂著RFID系統的周遭會有其他強大的RF射極在運作，只不過是在不同的頻帶內。透過WLAN連接到網路的RFID讀取機就是個很好的例子。雖然有許多系統層級的挑戰，但標籤的電路層級設計、天線的整合及其餘的電路，都會直接影響積體電路(IC)的電力及其可用的範圍。
另外也必須認清被動式RFID標籤係藉由調變入射的RF能量來產生一個「反向散射」(backscatter)信號，以便與讀取機或詢問裝置進行通訊，因此在天線與IC之間的任何損耗都會限制該項能力，進而影響標籤的最大讀取距離。簡單而可靠的設計，將有助於降低每個標籤的成本及提升製造良率。
RFID標籤的IC中的一個基本元件就是偵測器二極體。蕭特基勢壘二極體(Schottky Barrier Diode）常被用來偵測或整流RF能量。標籤的電路可能會單獨使用這些二極體或將它們當作IC的一部份來實作。使用一個適合搭配各種電路模擬器的Schottky二極體模型會很有幫助。這些模型可分成兩大類，所謂的集總等效(Lumped-Equivalent)或小信號模型以及非線性的Spice模型。前者有利於使用散射或S參數來設計，後者則可用來預測在主動環境下的效能，如顯示網路的輸出電壓，為集總等效模型(圖1)。
顯示的值是準備進行零偏移(zero-bias)操作，且具備平方律(square-law)偵測特性的二極體所需。在這個模型和所需的操作電流下，可以找到一個能夠將電力完美轉換成網路的共軛匹配(Conjugate Match)。然而，這個模型並不支援非線性模擬，如Harmonic Balance。
使用小信號二極體模型時，可以利用史密斯圖(Smith Chart)方法，找出在既定頻率下最佳的匹配。我們的設計著重於在UHF頻帶運作的標籤，因此將會選擇915 MHz的操作頻率。透過史密斯圖設計工具應用軟體，可以導出單二極體(Single Diode)的匹配網路。實際上，在電壓加倍器(Voltage Doubler)配置中使用兩個二極體來提高整流器的輸出電壓是比較好的作法。
圖2是利用史密斯圖對這類電壓加倍器所導出的匹配網路。這個網路是根據電感和電容的值導出來的。為了建立此網路，必須將它轉換成等效分散結構並置於天線與IC之間。
為了在更真實的環境下驗證設計，必須使用非線性的電路模擬器。除了以SPICE模型取代小信號二極體模型之外，還得掃描輸入功率。圖3是輸出電壓vs.輸入功率的結果圖，它指出在–6 dBm的參考輸入下將可得到約0.3 VDC。
為了與讀取機通訊，標籤必須調變標籤IC的輸入阻抗。調變的阻抗會與待傳輸的資料同步開啟或關閉。調變阻抗可以是實數(電阻)或複數(電容)的形式，但不論哪一種，調變的結果都可能同時包含相位和振幅調變，以致讀取機必須執行複合解調(Complex Demodulation)。匹配不良的天線將會限制調變阻抗對於調變的反向散射的深度之影響程度。
讓我們假設在讀取機或詢問裝置的輸出功率限制下，此效能是不夠的。此外，也可假設將匹配網路納入其中，並不能使每個標籤的成本降到所要的標準。我們希望完成一個高效率但簡單的設計，這時或許可以參考天線的設計過程。
傳統上，天線是在電磁(EM)模擬器中設計的，而在電路的設計中則會用到S參數檔。運用史密斯圖方法，可以讓天線埠與IC匹配。匹配電路可將天線埠的50歐姆轉換為IC的阻抗。這種方法雖好，但匹配電路很可能會造成注入損耗，而導致雙向的信號遺失，並且影響到IC的rail電壓及標籤透過調變的反向散射與讀取機通訊的能力。由於在RFID系統的運作中，每個dB都很重要，因此最好去除匹配電路，採用天線直接與IC阻抗匹配的設計。
直接讓天線與IC匹配的關鍵是，使用一個能夠針對某幾何參數產生可變的天線阻抗的天線拓樸(Antenna Topology)。我們選擇了一個饋有嵌入線(inset)的微帶貼片天線(Microstrip Patch Antenna)。據Basilio等人的研究結果顯示，此嵌入線插入貼片的深度能產生可變的阻抗。我們使用ADS先進設計系統中的一個EM模擬器Momentum，來設計一個輻射圖(Radiation Pattern)獲得理想控制(圖4)，且適合在大約915 MHz的頻率下進行窄頻帶操作的貼片天線。針對此天線所建立的模型，是饋線(Feed Line)深度的函數。
如圖5所示，我們將之前在電磁模擬器中建立的天線模型，直接與IC連接在一起。由於使用的這個「佈局元件」雖具有佈局的外觀但卻置於線路圖中，所以可讓您調整電路到最佳狀態，以提高輸出電壓(Pin = -6 dBm時的0.4V相較於傳統匹配電路的0.3V)(圖6)，尤其是在電路模擬器中的調諧過程能夠即時回應時。
天線的模型是利用ADS中的一種新技術建立而成，此項技術的重點是，在一個名為MAPS的多維環境中適應性地取樣參數。根據S參數，在每次運算時，天線的響應都會與一有理數多項式(Rational Polynomial)進行曲線擬合，直到誤差小於-60dB為止。這時，此多項式模型會被建構成參數的函數。參數的適應性取樣與均勻取樣(Uniform Sampling)大不相同，其具有兩大優點(圖7)。
第一，適應性取樣可產生一個包含最少取樣點數的模型，以免去耗時的EM模擬。第二，這項技術所採用的Forsythe內插法因考慮到總體特性而提升了準確度，不像均勻取樣可能會造成取樣不足或過度取樣的情形。取樣不足會使準確度降低，而過度取樣則會導致不必要且費時的EM模擬。這個模型可讓您迅速調整饋點的深度，從而改變天線埠的阻抗。如此，設計人員便可直接將IC與天線埠匹配，以提高整流輸出電壓。在圖6顯示的結果中，此設計方法因直接匹配天線而使輸出電壓提高了25%以上，至於傳統的史密斯圖法所採用的間接匹配則可能會造成損耗。
將天線與電路匹配的傳統史密斯圖技術，可能會在加入元件時造成信號的遺失。這些信號的遺失加上複雜的技術所衍生的較高成本，對於RFID應用來說是非常不利的，因為在這些應用中必須使用入射的RF能量來為電路供電，並以標籤的響應來調變該信號。另一種替代方案是將一個小型的參數化模型或「佈局元件」插入電路模擬器中，如此便可迅速調整天線的簡單實體特性，以獲得最佳的匹配結果，而不需要增加額外的元件或結構。這種方法可大幅提高供給標籤IC的電壓，而簡單的設計則有助於降低每個標籤的生產成本。