射頻識(shí)別(RFID)原理-RFID技術(shù)基本原理

《RFID原理與應(yīng)用》Lorem

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RFID技術(shù)的基本原理RFID的基本原理框圖閱讀器通過(guò)天線在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)送射頻能量形成電磁場(chǎng)，區(qū)域的大小取決于發(fā)射功率；應(yīng)答器（標(biāo)簽）進(jìn)入磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，向閱讀器發(fā)送自身存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，或根據(jù)閱讀器的指令修改存儲(chǔ)在其中的數(shù)據(jù)，；閱讀器接收應(yīng)答器發(fā)送的信號(hào)，解碼并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并通過(guò)接口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。從電子標(biāo)簽到閱讀器之間的通信及能量感應(yīng)方式來(lái)看，系統(tǒng)一般可以分成兩類，即電感耦合系統(tǒng)和電磁反向散射耦合系統(tǒng)。電感耦合:通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律；電磁反向散射耦合，即雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)，典型的工作頻率有125KHz、225KHz和13.56KHz。利用電感耦合方式的識(shí)別系統(tǒng)作用距離一般小于1m，典型的作用距離為10～20cm。揭開(kāi)RFID神秘面紗——理解RFID工作原理揭開(kāi)RFID神秘面紗——理解RFID工作原理電磁反向散射耦合方式一般適用于高頻、微頻工作的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)，典型的工作頻率有433MHz、915MHz、2.45KHz、5.8GHz。識(shí)別作用距離大于1m，其典型的作用距離為4～6m。電感耦合系統(tǒng)與電磁耦合系統(tǒng)如圖所示。(b)遠(yuǎn)距離電磁耦合（a)近距離電感耦電感耦合RFID系統(tǒng)揭開(kāi)RFID神秘面紗——理解RFID工作原理電感耦合方式的電子標(biāo)簽幾乎都是無(wú)源工作的，在標(biāo)簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應(yīng)電磁能提供。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和線圈的周圍空間，以使附近的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過(guò)距離閱讀器天線線圈一定距離的電子標(biāo)簽天線線圈。通過(guò)感應(yīng)，在電子標(biāo)簽的天線線圈產(chǎn)生電壓U，將其整流后作為微芯片的工作電源。將一個(gè)電容器Cr與閱讀器并聯(lián)，其中，電容器與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)振蕩回路，該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生較大的電流，這種方法也用于產(chǎn)生供遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽工作所需要的場(chǎng)強(qiáng)。電感耦合RFID系統(tǒng)揭開(kāi)RFID神秘面紗——理解RFID工作原理電感耦合RFID系統(tǒng)電子標(biāo)簽的天線線圈和電容器C1構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，電子標(biāo)簽線圈上的電壓U達(dá)到最大值。這兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)也可以解釋為變壓器（變壓器的耦合），變壓器的兩個(gè)線圈之間只存在很弱的耦合。因?yàn)殡姼旭詈舷到y(tǒng)的效率不高，所以只適用于低電流電路。只有功耗極低的只讀電子標(biāo)簽（小于135kHZ）可用于1m以上的距離。具有寫(xiě)入功能和復(fù)雜安全算法的電子標(biāo)簽的功率消耗較大，因而其一般的作用距離為15cm。負(fù)載調(diào)制電感耦合RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸電子標(biāo)簽與閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用負(fù)載調(diào)制，電感耦合是一種變壓器耦合，即作為初級(jí)線圈的閱讀器和作為次級(jí)線圈的電子標(biāo)簽之間的耦合。只要線圈之間的距離不超過(guò)0.16?，并且電子標(biāo)簽處于發(fā)送天線的近場(chǎng)范圍內(nèi)，變壓器耦合就有效。如果把諧振的電子標(biāo)簽放入閱讀天線的交變磁場(chǎng)，那么電子標(biāo)簽就可以從磁場(chǎng)獲得能量。從供應(yīng)閱讀器天線的電流在閱讀器內(nèi)阻上的壓降可以測(cè)得此附加功耗。電子標(biāo)簽天線上負(fù)載電阻的接通和斷開(kāi)促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了用電子標(biāo)簽對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。而通過(guò)數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開(kāi)，這些數(shù)據(jù)就可以從標(biāo)簽傳輸?shù)介喿x器了。同時(shí)，為了在閱讀器中回收數(shù)據(jù)，需要對(duì)在閱讀器天線上的測(cè)得的電壓進(jìn)行整流，即對(duì)經(jīng)過(guò)振幅調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。電感耦合RFID系統(tǒng)另外，由于閱讀器天線和電子標(biāo)簽天線之間的耦合很弱，因此閱讀器天線上表示有用信號(hào)的電壓波動(dòng)比閱讀器的輸出電壓小。在實(shí)踐中，對(duì)13.56KHZ，的系統(tǒng)，天線電壓（諧振電壓）只能得到大約10mV的有用信號(hào)。因?yàn)闄z測(cè)這些小電壓變化很不方便，所以可以采用天線電壓振幅調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波邊帶。如果電子標(biāo)簽的附加負(fù)載電阻以很高的時(shí)鐘頻率?H接通或斷開(kāi)，那么在閱讀器發(fā)送頻率將產(chǎn)生兩條譜線，此時(shí)該信號(hào)就容易檢測(cè)了，這種調(diào)制方式也稱為副載波調(diào)制。而數(shù)據(jù)傳輸是在數(shù)據(jù)流中通過(guò)幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控(FSK)或相移鍵控（PSK）調(diào)制來(lái)完成的。雷達(dá)技術(shù)為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時(shí)，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收（因此發(fā)射天線也是接收天線），對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會(huì)遇到不同的目標(biāo)。到達(dá)目標(biāo)的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上去。反射能量的一部分最終會(huì)返回發(fā)射天線，稱之為回波。在雷達(dá)技術(shù)中，用這種反射波測(cè)量目標(biāo)的距離和方位。對(duì)RFID系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以采用電磁反向散射耦合的工作方式，利用電磁波反射完成從電子卷標(biāo)到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸。這主要應(yīng)用在915MHz、2.45GNz或更高頻率的系統(tǒng)中。1.反向散射調(diào)制一個(gè)目標(biāo)反射電磁波的頻率由反射橫截面來(lái)確定。反射橫截面的大小與一系列的參數(shù)有關(guān)，如目標(biāo)的大小、形狀和材料，電磁波的波長(zhǎng)和極化方向等。由于目標(biāo)的反射性能通常隨頻率的升高而增強(qiáng)，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應(yīng)答器和讀寫(xiě)器的距離大于1

m。RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖所示，讀寫(xiě)器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個(gè)收發(fā)通信系統(tǒng)。2．RFID反向散射耦合方式RFID反向散射耦合方式原理圖無(wú)源應(yīng)答器的能量由讀寫(xiě)器提供，讀寫(xiě)器天線發(fā)射的功率P1經(jīng)自由空間衰減后到達(dá)應(yīng)答器，設(shè)到達(dá)功率為。中被吸收的功率經(jīng)應(yīng)答器中的整流電路后形成應(yīng)答器的工作電壓。在UHF和SHF頻率范圍，有關(guān)電磁兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)讀寫(xiě)器所能發(fā)射的最大功率有嚴(yán)格的限制，因此在有些應(yīng)用中，應(yīng)答器采用完全無(wú)源方式會(huì)有一定困難。為解決應(yīng)答器的供電問(wèn)題，可在應(yīng)答器上安裝附加電池。為防止電池不必要的消耗，應(yīng)答器平時(shí)處于低功耗模式，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入讀寫(xiě)器的作用范圍時(shí)，應(yīng)答器由獲得的射頻功率激活，進(jìn)入工作狀態(tài)。(1）應(yīng)答器的能量供給(2）應(yīng)答器至讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)傳輸由讀寫(xiě)器傳到應(yīng)答器的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經(jīng)自由空間后返回讀寫(xiě)器，被讀寫(xiě)器天線接收。接收信號(hào)經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸?shù)阶x寫(xiě)器的接收通道，被放大后經(jīng)處理電路獲得有用信息。應(yīng)答器天線的反射性能受連接到天線的負(fù)載變化的影響，因此，可采用相同的負(fù)載調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)反射的調(diào)制。其表現(xiàn)為反射功率P2是振幅調(diào)制信號(hào)，它包含了存儲(chǔ)在應(yīng)答器中的識(shí)別數(shù)據(jù)信息。3）讀寫(xiě)器至應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸讀寫(xiě)器至應(yīng)答器的命令及數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)根據(jù)RFID的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼和調(diào)制，或者按所選用應(yīng)答器的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。電磁反向散射系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)工作分為以下兩個(gè)過(guò)程。（1）卷標(biāo)接受讀寫(xiě)器發(fā)射的信號(hào)，其中包括已調(diào)制載波和未調(diào)制載波。當(dāng)卷標(biāo)接收的信號(hào)沒(méi)有被調(diào)制時(shí)，載波能量全部被轉(zhuǎn)換成直流電壓，這個(gè)直流電壓供給電子卷標(biāo)內(nèi)芯片能量;當(dāng)載波攜帶數(shù)據(jù)或者命令時(shí)，卷標(biāo)通過(guò)接收電磁波作為自己的能量來(lái)源，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，從而接收讀寫(xiě)器的指令或數(shù)據(jù)。3.RFID反向散射耦合工作原理（2）卷標(biāo)向讀寫(xiě)器返回信號(hào)時(shí)，讀寫(xiě)器只向標(biāo)簽發(fā)送未調(diào)制載波，載波能量一部分被卷標(biāo)轉(zhuǎn)化成直流電壓，供給卷標(biāo)工作；另一部分能量被標(biāo)簽通過(guò)改變射頻前端電路的阻抗調(diào)制并反射載波來(lái)向讀寫(xiě)器傳送信息。電子卷標(biāo)的等效電路如圖所示，其中，Vs代表天線接收信號(hào)，Za表示天線阻抗，Z1表示芯片的輸入阻抗。時(shí)序方式能量與數(shù)據(jù)傳輸掃頻法掃頻信號(hào)分頻信號(hào)檢測(cè)法聲表面波應(yīng)答器

聲表面波（Surface

Acoustic

Wave，SAW）器件是以壓電效應(yīng)和與表面彈性相關(guān)的低速傳播的聲波