RFID射頻識別技術(shù)介紹

摘要:隨著RFID射頻識別技術(shù)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，越來越多的場合要求使用RFID射頻識別系統(tǒng)。RFID電子標(biāo)簽天線作為射頻識別系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試等均是未來研究的主要內(nèi)容之一由于電磁波的固有特性，在諸如臨近金屬、液體等環(huán)境中，RFID射頻識別系統(tǒng)的性能將大打折扣。在這樣的環(huán)境中除了提高RFID電子標(biāo)簽讀寫器的性能之外，RFID電子標(biāo)簽天線的性能的提高更為重要。目前我們正在針對RFID電子標(biāo)簽天線在這些復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用展開研究。另外，柔性RFID電子標(biāo)簽貼附在非平坦表面時性能也會有所惡化。如何避免柔性RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用到非平坦表面帶來的影響也是目前我們另一個研究重點(diǎn)。

        射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)。它是由電子標(biāo)簽（Tag/Transponder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無線通信系統(tǒng)。射頻識別中的標(biāo)簽是射頻識別標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線的結(jié)合體。標(biāo)簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動標(biāo)簽和被動標(biāo)簽。主動標(biāo)簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動標(biāo)簽則采用感應(yīng)耦合或反向散射工作模式，即通過標(biāo)簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識別標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線的匹配程度，將儲存在標(biāo)簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識別標(biāo)簽天線的阻抗必須與標(biāo)簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標(biāo)簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)時還必須考慮電子標(biāo)簽所應(yīng)用的場合，如應(yīng)用在金屬物體表面的標(biāo)簽天線和應(yīng)用在普通物體表面的標(biāo)簽天線在天線的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標(biāo)簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

射頻識別系統(tǒng)與RFID天線分類

   對于采用被動式標(biāo)簽的射頻識別系統(tǒng)而言，根據(jù)工作頻段的不同具有兩種工作模式。一種是感應(yīng)耦合（Induc.tiveCoupling）T作模式，這種模式也稱為近場工作模式，它主要適用用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)：另一種則是反向散射（Backscattering）32作模式，這種模式也稱為遠(yuǎn)場T作模式，主要適用于超高頻和微波RFID系統(tǒng)。

    感應(yīng)耦合模式主要是指讀寫器天線和標(biāo)簽天線都采用線圈形式。當(dāng)讀寫器在閱讀標(biāo)簽時，發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的信號。處于讀寫器天線近場的電子標(biāo)簽天線接收到該信號并激活標(biāo)簽芯片之后，由標(biāo)簽芯片根據(jù)內(nèi)部存儲的全球唯一的識別號（ID）控制標(biāo)簽天線中的電流大小。這個電流的大小進(jìn)一步增強(qiáng)或者減小閱讀器天線發(fā)出的磁場。這時，讀寫器的近場分量展現(xiàn)出被調(diào)制的特性，讀寫器內(nèi)部電路檢鋇0到這個由于標(biāo)簽而產(chǎn)生的調(diào)制量并解調(diào)并得到標(biāo)簽信息。

    在反向散射T作模式中，讀寫器和電子標(biāo)簽之間采用電磁波來進(jìn)行信息的傳輸。當(dāng)讀寫器對標(biāo)簽進(jìn)行閱讀識別時，首先發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的電磁波，此時位于遠(yuǎn)場的電子標(biāo)簽天線接收到電磁波信號并在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電子標(biāo)簽內(nèi)部電路將這個感應(yīng)電壓進(jìn)行整流并放大用于激活標(biāo)簽芯片。當(dāng)標(biāo)簽芯片激活之后，用自身的全球唯一標(biāo)識號對標(biāo)簽芯片阻抗進(jìn)行變化，當(dāng)電子標(biāo)簽芯片的阻抗和標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配較好時則基本不反射信號，而阻抗匹配不好時則將幾乎全部反射信號。這樣反射信號就出現(xiàn)了振幅的變化，這種情況類似于對反射信號進(jìn)行幅度調(diào)制處理。讀寫器通過接收到經(jīng)過調(diào)制的反射信號判斷該電子標(biāo)簽的標(biāo)識號并進(jìn)行識別。這類天線主要包括微帶天線、平面偶極子天線和環(huán)形天線。圖二是我們研制的能工作于多種識別環(huán)境下的UHF電子標(biāo)簽天線。

RFID電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與測試

    如前所述，作于低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)采用感應(yīng)耦合模式進(jìn)行通信，所以T作于這兩個頻段的讀寫器與電子標(biāo)簽都采用線圈形式的天線。T作在這兩個頻段的射頻識別系統(tǒng)都受制于近場作用的范圍，從而導(dǎo)致其識別距離較短。根據(jù)目前的情況來看，采用近場通信的射頻識別系統(tǒng)最大的識別距離小于1米。

由于低頻和高頻頻段的射頻識別系統(tǒng)采用的是電磁場耦合模式，所以系統(tǒng)中的天線都采用線圈形式。采用這種形式的主要原因如下：

1.電磁場的耦合在線圈之間比較緊密：

2.天線采用線圈的形式進(jìn)一步減小了天線的體積進(jìn)而減小了標(biāo)簽的體積：

3.標(biāo)簽芯片的特性要求標(biāo)簽天線具有一定的電抗。

    在超高頻和微波波段時，電子標(biāo)簽和讀寫器之間的通信采用反向散射工作方式。這時候，連接電子標(biāo)簽和讀寫器之間的橋梁不再是近磁場而是電磁波。此時，被動型電子標(biāo)簽處于讀寫器的電磁波遠(yuǎn)場中。根據(jù)頻帶的波長和天線的口徑可以計(jì)算出該頻帶內(nèi)射頻識別系統(tǒng)的遠(yuǎn)場和讀寫器之間的距離。一般來說，被動性標(biāo)簽在超高頻范圍內(nèi)的丁作距離可達(dá)10米左有，根據(jù)現(xiàn)有資料來看。工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被動標(biāo)簽工作距離僅為1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射頻識別系統(tǒng)主要使用位于860～960MHz的超高頻頻段。

    在由被動型標(biāo)簽天線組成的射頻識別系統(tǒng)中，標(biāo)簽需要從瀆寫器產(chǎn)生的電磁場或者電磁波中獲取能量激活標(biāo)簽芯片。所以在電子標(biāo)簽中有一部分電路專門用于檢測標(biāo)簽天線上的感生電動勢或者感應(yīng)電壓，并通過二極管電路進(jìn)行整流并經(jīng)過其他電路進(jìn)行電壓放大等等。這些電路被集成存標(biāo)簽芯片內(nèi)部。當(dāng)芯片進(jìn)行封裝時通常還會引入一部分分布式電容。但是，天線設(shè)計(jì)本身并不需要知道芯片中的具體電路而只需要掌握芯片和經(jīng)過封裝之后的芯片阻抗，并利用最大能量傳遞的法則設(shè)計(jì)天線的輸入阻抗。

    由于電子標(biāo)簽芯片的輸出阻抗具有電抗分量，為了達(dá)到能量的最大傳遞，需要將天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)為標(biāo)簽芯片阻抗的共軛。一般而言，電子標(biāo)簽芯片的輸入阻抗為Z=R_X形式。為了獲得共軛形式的阻抗，電子標(biāo)簽天線的阻抗應(yīng)為Z=R+iX形式。

    如前文所述，工作在低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)中的被動標(biāo)簽天線采用了線圈形式，這種線圈形式即可引入感抗用于抵消等效電路中的容抗從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片和天線之間的最大能量傳遞。

而對于T作于超高頻和微波頻段的標(biāo)簽天線而言，為了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天線設(shè)計(jì)中加入環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行感性饋電，或者加入T型配『31等結(jié)構(gòu)。另外，為了在規(guī)定的等效全向輻射功率（EIRP）下獲得更遠(yuǎn)的閱讀距離除了要求電子標(biāo)簽天線也具有高增益。還要求電子標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片之間能夠有足夠的匹配。

    在標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真并獲得理想結(jié)果之后，需要將天線加工并進(jìn)行測試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真的正確性。也正兇為前文中所介紹的標(biāo)簽天線具有復(fù)數(shù)阻抗的特性，其測試方法和具有實(shí)數(shù)阻抗天線的測試方法有所區(qū)別。另外，在同一個標(biāo)簽天線的測試過程巾，根據(jù)所需數(shù)據(jù)的不同其測試方法也有所不同通常測試天線的過程中并不需要專門測試天線的輸入阻抗。但標(biāo)簽天線的阻抗為負(fù)數(shù)阻抗，且其虛部與實(shí)部之比較大（通常X/R》10），這樣的阻抗曲線在smith 圓圖中靠近短路圓不易通過smith網(wǎng)圖觀察天線的阻抗帶寬。為了獲得標(biāo)簽天線的輸入阻抗?？梢詫y試設(shè)備的輸出端口直接與天線的輸入端口相連由于這種方式并未考慮標(biāo)簽天線本身具有復(fù)數(shù)阻抗這一特性。天線和測試設(shè)備之間并沒有取得共軛匹配，此時只能得到天線的阻抗參數(shù)，諸如散射矩陣參數(shù)和駐波比等常用來衡量天線的電路參數(shù)不能直接獲得。

    為了獲得是散射參數(shù)和駐波比等電路參數(shù)，以便對天線的阻抗帶寬特性進(jìn)行評價，可將實(shí)測的阻抗參數(shù)帶入相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算或者采用阻抗匹配的方法在測試設(shè)備和天線之間加入匹配電路。匹配電路可用兩種方法構(gòu)成，一是采用工作頻率較高的分立元件構(gòu)成，二是采用微波電路構(gòu)成。需要注意的是配電路應(yīng)該距離天線端口足夠近。這樣才能獲得較大的帶寬并避免天線和配電路之間的連接線路帶來的負(fù)面影響。

電路用于標(biāo)簽天線的測試。不過采用匹配電路具有一些缺點(diǎn)：

l.不論使用分立元件還是使用微波電路來構(gòu)成阻抗配電路，其帶寬總是受限的，當(dāng)天線真實(shí)帶寬大于配電路的帶寬時，所測試到的帶寬將不再準(zhǔn)確;

2.南于配電路總是存在損耗，所以測試得到的帶寬和回波損耗值等參數(shù)和真實(shí)的天線參數(shù)有一些差別;

3.引入的配電路總是和天線之間存在距離，從而使得測試現(xiàn)一定誤差。

    采上述使用匹配電路進(jìn)行測試的方案除了可以獲得一定精度的帶寬和同波損耗等參數(shù)之外，對于測試天線的方向圖和增益等輻射特性也是必須的。只有通過阻抗配電路才能將天線接收到的絕大部分能量基本無反射地傳遞到測試系統(tǒng)中，從而測試相應(yīng)的輻射參數(shù)。

結(jié)語

隨著RFID射頻識別技術(shù)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，越來越多的場合要求使用RFID射頻識別系統(tǒng)。RFID電子標(biāo)簽天線作為射頻識別系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試等均是未來研究的主要內(nèi)容之一由于電磁波的固有特性，在諸如臨近金屬、液體等環(huán)境中，RFID射頻識別系統(tǒng)的性能將大打折扣。在這樣的環(huán)境中除了提高RFID電子標(biāo)簽讀寫器的性能之外，RFID電子標(biāo)簽天線的性能的提高更為重要。目前我們正在針對RFID電子標(biāo)簽天線在這些復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用展開研究。另外，柔性RFID電子標(biāo)簽貼附在非平坦表面時性能也會有所惡化。如何避免柔性RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用到非平坦表面帶來的影響也是目前我們另一個研究重點(diǎn)。