《無線射頻識別技術與應用》課件第2章

第2章RFID系統(tǒng)的基本原理2.1RFID的基本工作原理2.2RFID的耦合方式2.3天線2.4諧振回路2.5電磁波的傳播

2.1RFID的基本工作原理

電子標簽與讀卡器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內，根據(jù)時序關系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。發(fā)生在讀卡器和高頻電子標簽之間的射頻信號的耦合主要采用電感耦合，見圖2-1。圖2-1是根據(jù)變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應定律。圖2-1電感耦合的工作原理電感耦合的原理是：兩電感線圈在同一介質中，相互的電磁場通過該介質傳導到對方，形成耦合。最常見的電感耦合是變壓器，即用一個波動的電流或電壓在一個線圈(稱為初級線圈)內產生磁場，在該磁場中的另外一組或幾組線圈(稱為次級線圈)上就會產生相應比例的磁場(與初級線圈和次級線圈的匝數(shù)有關)，它是電感耦合的經典杰作。電感耦合方式一般用于高、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)中。該RFID系統(tǒng)典型的工作頻率有125kHz、225kHz和13.56MHz；識別作用距離小于1m，典型的作用距離為10cm～20cm。電子標簽與讀卡器之間的耦合通過天線完成。這里的天線通常可以理解為電磁波傳播的天線，有時也指電感耦合的天線。

如前所述，一套完整的RFID系統(tǒng)如圖2-2所示，它是由讀卡器、電子標簽(也就是所謂的應答器)及應用軟件系統(tǒng)三個部分組成，其工作原理是讀卡器發(fā)射一特定頻率的電磁波能量給應答器，用以驅動應答器電路將內部的數(shù)據(jù)送出，讀卡器依序接收并解讀數(shù)據(jù)，送給應用程序做相應的處理。圖2-2RFID系統(tǒng)工作原理

RFID技術的工作原理并不復雜：首先，讀卡器通過天線發(fā)送某種頻率的RF(射頻)信號，電子標簽產生引導電流，當引導電流到達天線工作區(qū)的時候，電子標簽被激活；之后，電子標簽通過內部天線發(fā)送自己的代碼信包；天線接收到由電子標簽發(fā)射的載體信號后把信號發(fā)送給讀卡器；讀卡器對信號進行調整并進行譯碼，并將調整和譯碼后的信號發(fā)送給應用軟件系統(tǒng)；然后，應用軟件系統(tǒng)通過邏輯操作判斷信號的合法性，再根據(jù)不同的設置進行相應的操作。讀卡器根據(jù)使用的結構和技術的不同可以是讀裝置或讀/寫裝置，它是RFID系統(tǒng)信息的控制和處理中心。讀卡器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。讀卡器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，它通過耦合給無源應答器提供能量和時序。在實際應用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。目前讀卡器大多是由耦合元件(線圈、微帶天線等)和微芯片組成無源單元。 2.2RFID的耦合方式

2.2.1電感耦合方式

RFID電感耦合方式也叫做近場工作方式，其電路結構圖如圖2-3所示。電感耦合方式的射頻頻率fc為13.56MHz和小于135kHz的頻段，電子標簽與讀卡器之間的工作距離一般在1m以下，典型作用距離為10cm～20cm。

RFID電感耦合方式的電子標簽幾乎都是無源的，其能量是從讀卡器所發(fā)送的電磁波中獲取的。由于讀卡器產生的磁場強度受到電磁兼容性能有關標準的限制，所以電感偶合方式的工作距離較近。在圖2-3中，US是射頻源，L1、C1構成諧振回路，RS是射頻源的內阻，R1是電感線圈L1的損耗電阻。US

在L1上產生高頻電流i，在諧振時電流i最大。高頻電流i產生的磁場穿過線圈，并有部分磁力線穿過距讀卡器電感線圈L1一定距離的電子標簽電感線圈L2。由于電感耦合方式所用工作頻率范圍內的波長比讀卡器與電子標簽之間的距離大得多，所以線圈L1、L2間的電磁場可以當做簡單的交變磁場。圖2-3RFID電感耦合方式的電路結構圖穿過電感線圈L2的磁力線通過電磁感應，在L2上產生電壓U2，將U2整流后就可以產生電子標簽工作所需要的直流電壓。電容C2的選擇應使L2、C2構成對工作頻率諧振的回路，以使電壓U2達到最大值。由于電感耦合系統(tǒng)的效率不高，所以這種工作方式主要適用于小電流電路。電子標簽功耗的大小對讀寫距離有很大的影響。

一般地，讀卡器向電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸可以采用多種數(shù)字調制方式，通常采用較為容易實現(xiàn)的幅移鍵控(ASK)調制方式；而電子標簽向讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸采用負載調制的方法，負載調制實質上是一種振幅調制，也稱調幅(AM)。2.2.2反向散射耦合方式

RFID反向散射耦合方式也叫做遠場工作方式。

RFID反向散射耦合采用雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

由于目標的反射性能隨著頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式采用超高頻(UHF)和特高頻(SHF)，電子標簽和讀卡器的距離大于1m，典型工作距離為3m～10m。

RFID反射散射耦合方式的原理框圖如圖2-4所示。圖2-4RFID反射散射耦合方式的原理框圖

(1)電子標簽的能量供給。無源標簽的能量由讀卡器提供，讀卡器天線發(fā)射的功率P1經自由空間傳播后到達電子標簽，設到達功率為，則中被吸收的功率經電子標簽中的整流電路后形成電子標簽的能量供給。

(2)讀卡器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸。讀卡器到電子標簽的命令及數(shù)據(jù)傳輸應根據(jù)RFID相關的標準來進行編碼和調制。

(3)電子標簽到讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸。反射功率P2經自由空間傳播到讀卡器，被讀卡器天線接收。接收信號經收發(fā)耦合器電路傳輸至讀卡器的接收端，經接收電路處理后獲得相關的有用信息。

RFID電感耦合方式一般適用于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)中，而RFID反向散射耦合方式則一般適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)中。

2.3天線

2.3.1天線的工作模式

1．近場天線工作模式

感應耦合模式主要是指讀卡器天線和電子標簽天線都采用線圈形式。讀卡器在閱讀電子標簽時，發(fā)出未經調制的信號，處于讀卡器天線近場的電子標簽天線接收到該信號并激活電子標簽芯片，由電子標簽芯片根據(jù)其內部存儲的全球唯一的識別號(ID)來控制電子標簽天線中電流的大小。這一電流的大小進一步增強或者減小讀卡器天線發(fā)出的磁場。這時，讀卡器的近場分量展現(xiàn)出被調制的特性，讀卡器的內部電路檢測到這個由于電子標簽而產生的調制量解調并得到電子標簽信息。當RFID的天線線圈進入讀卡器產生的交變磁場中時，RFID天線與讀卡器天線之間的相互作用就類似于變壓器，兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈。由RFID的天線線圈形成的諧振回路包括RFID天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容Cr，其諧振頻率為其中C為Cp和Cr的并聯(lián)等效電容。

RFID應用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信的。常用的ID-1型非接觸式IC卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm?×?54.03mm?×?0.76mm)，天線線圈諧振工作頻率通常為13.56MHz。目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm?×?0.4mm天線線圈的短距離RFID應用系統(tǒng)。某些應用要求RFID天線線圈外形很小，且需一定的工作距離，如用于動物識別的RFID。但如果線圈外形即面積小，RFID與讀卡器間的天線線圈互感M將不能滿足實際需要。作為補救措施通常在RFID天線線圈內插入具有高導磁率p的鐵氧體，以增大互感，從而補償因線圈橫截面減小而產生的缺陷。

2．遠場天線工作模式

在反向散射工作模式中，讀卡器和電子標簽之間采用電磁波來進行信息的傳輸。當讀卡器對電子標簽進行閱讀識別時，首先發(fā)出未經調制的電磁波。此時位于遠場的電子標簽天線接收到電磁波信號并在天線上產生感應電壓，電子標簽內部電路將這個感應電壓進行整流并放大用于激活標簽芯片。電子標簽芯片被激活后，將用自身的全球唯一的標識號對電子標簽芯片阻抗進行變化。當電子標簽天線和電子標簽芯片之間的阻抗匹配較好時基本不反射信號，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行幅度調制處理。讀卡器通過接收到經過調制的反射信號判斷該電子標簽的標識號并進行識別。遠場天線主要包括微帶貼片天線、偶極子天線和環(huán)形天線。微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板介質基片上的輻射貼片導體所構成的。根據(jù)天線輻射特性的需要，可把貼片導體設計為各種形狀。通常，微帶貼片天線的輻射導體與金屬底板間的距離為幾十分之一波長。假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化，僅沿約為半波長的導體長度方向變化，則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開路邊沿的邊緣場引起的，輻射方向基本確定。因此，微帶貼片天線一般適用于通信方向變化不大的RFID應用系統(tǒng)中。在遠距離耦合的RFID應用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線)。偶極子天線是由處于同一直線上的兩段粗細和長度均相同的直導線構成，信號由位于其中心的兩個端點饋入，使得在偶極子的兩臂上產生一定的電流分布，從而在天線周圍空間激發(fā)出電磁場。輻射場的電場可由下式求得：(2-1)式中：Iz為沿振子臂分布的電流；為相位常數(shù)；r是振子中觀察點的距離；為振子軸到r的夾角；z為振子臂的方向；l為單個振子臂的長度。

同樣，也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗、帶寬和天線增益等特性參數(shù)。

當單個振子臂的長度l?=?λ/4時(半波振子)，輸入阻抗的電抗分量為零，天線輸出為一個純電阻。在忽略電流在天線橫截面積內不均勻分布的條件下，簡單的偶極子天線設計可以取振子的長度l為λ/4的整數(shù)倍，如工作頻率為2.45GHz的半波偶極子天線，其長度約為6cm。2.3.2天線的基本參數(shù)

1．方向圖

天線的方向圖又稱波瓣圖，是天線輻射場的大小在空間的相對分布隨方向變化的圖形。天線的輻射場都具有方向性，方向性就是在相同的距離條件下天線輻射場的相對值與空間方向(子午角θ、方位角)的關系，常用式(2-2)的歸一化函數(shù)表示：(2-2)式中：為方向函數(shù)的最大值；為最大輻射方向上的電場強度；為同一距離方向上的電場強度。天線方向性系數(shù)的一般表達式為(2-3)其中，D≥1，對于無方向性天線才有D=1。D越大，天線輻射的電磁能量就越集中，方向性就越強，它與天線增益密切有關。實際上，天線因為導體本身和其絕緣介質都要產生損耗，導致天線實際的輻射功率Pr小于發(fā)射機提供的輸入功率Pin，因此定義天線的工作效率為(2-4)

2．增益

增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想輻射單元在空間同一點處所產生的信號功率密度之比，它定量地描述了天線把輸入功率集中輻射的程度。增益G定義為方向性系數(shù)與效率的乘積：G?=?D·η

(2-5)

3．天線的極化

極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律，即在空間某一固定位置上，電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線，就稱為線極化；如果是圓，就稱為圓極化。線極化又可以分成垂直極化和水平極化，圓極化可分成左旋圓極化和右旋圓極化。當電場矢量繞傳播方向左旋變化時，稱為左旋圓極化；當電場矢量繞傳播方向右旋變化時，稱為右旋圓極化。圓極化波入射到一個對稱目標上時，反射波是反旋向的。沿波的方向看去，當它的電場矢量矢端軌跡是橢圓時，則稱該天線為橢圓極化波，其同樣分左右旋，區(qū)別方法同圓極化波。如圖2-5所示為天線的極化方式示意圖。圖2-5中，Ex、Ey、Ez是指電場矢量在x、y、z軸上的投影，ωt是電場矢量的相位角。圖2-5天線的極化方式示意圖(a)線極化；(b)圓極化或橢圓極化；(c)橢圓極化

4．頻帶寬度

當天線的工作頻率變化時，天線有關電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內所對應的頻率范圍稱為頻帶寬度(Bandwidth)，它有兩種不同的定義：

(1)在駐波比VSWR≤2的條件下，天線的工作頻帶寬度。

(2)天線增益下降3dB范圍內的頻帶寬度。

根據(jù)頻帶寬度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。若天線的最高工作頻率為fmax，最低工作頻率為fmin，對于窄頻帶天線，一般采用相對帶寬，即用?|(fmax-fmin)/f0|×100%來表示其頻帶寬度；而對于超寬頻帶天線，常用絕對帶寬，即用fmax/fmin來表示其頻帶寬度。2.3.3天線的設計要求

1．讀卡器天線

對于近距離125kHz的RFID應用，比如門禁系統(tǒng)，天線一般與讀卡器集成在一起；對于遠距離13.56MHz或者超高頻段的RFID系統(tǒng)，天線與讀卡器采用分離式結構，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。由于結構、安裝和使用環(huán)境的多樣性，以及小型化的要求，天線設計面臨新的挑戰(zhàn)。讀卡器天線的設計要求低剖面、小型化以及頻段覆蓋。

2．應答器天線

天線的目標是傳輸最大的能量進入電子標簽芯片，這需要仔細地設計天線與電子標簽芯片的匹配，當工作頻率增加到尾端頻段時，天線與電子標簽芯片間的匹配問題更加重要。在RFID應用中，電子標簽芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準確測試，而缺少準確的參數(shù)，天線設計將難以達到最佳。此外，相應的小尺寸以及低成本等要求也對天線的設計帶來挑戰(zhàn)，因此天線的設計面臨許多問題。電子標簽天線的特性受所標識物體的形狀及物理特性的影響，而電子標簽到貼電子標簽的物體的距離、貼電子標簽物體的介電常數(shù)、金屬表面的發(fā)射和輻射模式等都將影響到天線的設計。 2.4諧振回路

按電路連接方式的不同，諧振回路有串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路兩種。

1．串聯(lián)諧振回路

將圖2-5可簡化為如圖2-6所示的串聯(lián)諧振回路。圖2-6串聯(lián)諧振回路在具有電阻R、電感L和電容C的串聯(lián)諧振交流電路中，電路兩端的電壓與其中電流的相位一般是不同的。調節(jié)電路元件(L或C)的參數(shù)或電源頻率使它們的相位相同，整個電路將呈現(xiàn)為純電阻性，將電路達到的這種狀態(tài)稱之為諧振。在諧振狀態(tài)下，電路的總阻抗達到極值或近似達到極值。研究諧振的目的就是要認識這種客觀現(xiàn)象，并在科學和應用技術上充分利用諧振的特征，同時又要預防它所產生的危害。在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內，當容抗XC與感抗XL相等，即XC?=?XL時，電路中的電壓US與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振(也稱為電壓諧振)。當電路發(fā)生串聯(lián)諧振時，電路的阻抗為電路中的總阻抗最小，電流將達到最大值。圖2-6中，在可變頻電壓US的激勵下，由于感抗、容抗隨頻率變動，所以電路中的電壓、電流亦隨頻率變動。電路中的電感和電容串聯(lián)在一起，可知該電路會發(fā)生串聯(lián)諧振，

其阻抗為

2．并聯(lián)諧振回路

電子標簽電路中的電感和電容是并聯(lián)的，所以發(fā)生并聯(lián)諧振。諧振時，電容的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位，電源電能全部為電阻消耗，成為電阻電路。圖2-7為并聯(lián)諧振回路。圖2-7并聯(lián)諧振回路電路的導納為 2.5電磁波的傳播

RFID系統(tǒng)中的讀卡器和電子標簽通過各自的天線構建了兩者之間非接觸的信息傳輸信道，這種信息傳輸信道的性能完全由天線周圍的場區(qū)決定，遵循電磁傳播的基本規(guī)律。

受媒質和媒質交界面的作用，產生反射、散射、折射、繞射和吸收等現(xiàn)象，使其特性參數(shù)如幅度、相位、極化、傳播方向等發(fā)生變化。電磁波傳播已形成電子學的一個分支，它研究無線電磁波與媒質間的這種相互作用，闡明其物理機理，計算其傳播過程中的各種特性參量，為各種電子系統(tǒng)工程的方案論證、最佳工作條件的選擇和傳播誤差的修正等提供數(shù)據(jù)和資料。根據(jù)電磁波傳播的原理，用無線電磁波來進行探測，是研究電離層、磁層等的有效手段。電磁波傳播為大氣物理和高層大氣物理等的研究提供了探測方法，積累了大批的資料，并為數(shù)據(jù)分析提供理論基礎。

電磁波頻譜的范圍極其寬廣，是一種巨大的資源。研究電磁波傳播是開拓利用這些資源，它主要研究幾赫茲(有時遠小于1Hz)到3000GHz的無線電磁波，同時也研究3000GHz～384THz的紅外線、384THz～770THz光波的傳播問題。電磁波傳播所涉及的媒質有地球(地下、水下和地球表面等)、地球大氣(對流層、電離層和磁層等)、日地空間以及星際空間等。這些媒質多數(shù)是自然界存在的，但也有許多人工產生的媒質，如火箭噴焰等離子體和飛行器再入大氣層時產生的等離子體等，它們也是電磁波傳播的研究對象。這些媒質的結構千差萬別，電氣特性各異，但就其在傳播過程中的作用可以分為三種類型：連續(xù)的(均勻的或不均勻的)傳播媒質，如對流層和電離層等；媒質間的交界面(粗糙的或光滑的)，如海面和地面等；離散的散射體，如雨滴、雪、飛機、導彈等，它可以是單個的，也可以是成群的。這些媒質的特性多數(shù)隨時間和空間而隨機地變化，因而與它們相互作用的波的幅度和相位也隨時間和空間而隨機變化。因此，媒質和傳播波的特性需要用統(tǒng)計方法來描述。2.5.1電磁波的頻譜

在RFID系統(tǒng)中，特定頻率范圍內的無線電磁波經過編碼，在讀卡器和電子標簽之間傳輸。整個電磁波包括伽瑪射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電磁波，它們的不同之處在于波長或頻率。無線電磁波可進一步劃分成低頻、高頻、超高頻和微波，RFID技術一般采用的都是這些范圍內的無線電磁波。通過無線電磁波進行能量的輻射，可以描述成光子流。每個光子流都以波的形式光速運動，每個光子都攜帶一定大小的能量，不同電磁波輻射之間的區(qū)別在于光子攜帶能量的大小。無線電磁波的光子能量最低，微波比無線電磁波的能量高一點，紅外線的能量最高。電磁波頻譜可以通過能量、頻率或者波長來表示，但是由于無線電磁波的能量都很低，因此常采用頻率和波長來描述。電磁波的特性是頻率、波長和速度，可通過公式實現(xiàn)相互轉換。圖2-8給出了電磁波頻譜的劃分。圖2-8電磁波頻譜的劃分2.5.2電磁波的自由空間傳播

所謂的自由空間，指的是理想的電磁波傳播環(huán)境。自由空間傳播損耗的實質是因電磁波擴散損失的能量，其特點是接收電平與距離的平方以及與頻