开·云体育app下载安装 第2章 RFID技术及数据传输

第2章 2.1中提到的RFID技术以及数据传输，其中，2.1里面 RFID技术，它有着工作原理，在其工作原理里，又包含2.1.1所涉及到的RFID物理学原理。

读写器以及电子标签依托各自的天线搭建了二者之间的非接触信息传输信道，此空间信息传输信道的性能全然是由天线周围的场区特性所决定的，这属于电磁传播的基本规律。射频信息被增添到天线上之后，在紧挨着天线的空间里，除了辐射场之外，还存在一个非辐射场，该场跟距离的高次幂成反比，伴随离开天线的距离加大而快速减小。在这个区域，鉴于电抗场占据优势，所以该区域被称作电抗近场区，它的边界大概为一个波长。超出电抗近场区，便是辐射场区。按照与天线离开距离远近情况，又将辐射场区分成辐射近场区以及辐射远场区，依据观测点同天线距离不一样，天线周围辐射的场展现出的性质也不一样，通常能够按照观测点距天线的距离把天线周围的场划分成3个区域，也就是无功近场区、辐射近场区还有辐射远场区。

无功近场区，也就是电抗近场区，它是天线辐射场里紧邻天线口径的一个近场区域。此区域中，电抗性储能场占据支配地位。一般来说，该区域界限取在距天线口径表面λ/π处。从物理概念来讲，无功近场区是个储能场，这里电场与磁场的转换类似变压器中电场、磁场间的转换。要是在其临近之处另外存在别的金属物件，那么这些物体就会凭借类似电容、电感耦合的形式去影响储能场，所以也能够把这些金属物体视作组合天线（就是原天线跟这些金属物共同构成的新的天线）的一部分；在这个区域里束缚于天线的电磁场并未做功（仅仅是在进行相互转换），故而把这个区域称之为无功近场区。

一旦超过电抗近场区，便抵达了辐射场区，在辐射场区，电磁能已摆脱天线的羁绊，进而作为电磁波汇入空间。依据离开天线距离之所及远近，又将辐射场区划分成辐射近场区与辐射远场区。于辐射近场区里，场区当中辐射场占据优势地位且，辐射场的角度分布跟距离天线口径的距离存在关联关系。天线各个单元针对观察点辐射场的贡献情况，其相对相位以及相对幅度是天线距离的函数表现形式。对于平常常见的天线来说，此区域亦被称谓菲涅尔区。因为大型天线的远场测试距离特别难以达成，所以对于大型天线的测试而言，探究该区域中场的角度分布极为关键。

人们常说的远场区，也就是辐射远场区，它还被叫作夫朗荷费区。在这个区域当中，辐射场的角分布和距离没有关系。严格来讲，只有距离天线处于无穷远的地方才会到达天线的远场区。然而在某一个距离的情况下，当辐射场的角度分布和处于无穷远时的角度分布，其误差在允许的范围以内之时，也就是将该点到无穷远的区域称作天线远场区。

该辐射区域里辐射场的角度分布构成了天线的方向性图，所以远场区属于天线辐射场区里尤为至关重要的存在。被大家所认可的辐射近场区跟远场区的分界距离R是。

式中，D为天线直径，λ为天线波长，D≥λ。

对于天线来讲，当达成天线的最大尺寸L比波长λ小这一条件时，天线周围仅仅存在无功近场区跟辐射远场区，不存在辐射近场区。无功近场区的外界是约为λ/π 这样的距离，一旦超过了此距离，辐射场便占据主要地位。一般达成L/λ＜1这一情况的天线被称作小天线。

对于射频识别系统，还有电子标签来讲，通常情形下，因受电子标签尺寸的限制，以及读写器天线应用时候的尺寸局限，大多数的状况下，采用L/λ＜＜1或者L/λ＜1的天线结构模式。天线的无功近场区，和远场区的距离，能够依据波长来进行估算。

表2 - 1呈现了，常用射频识别系统的，不同工作频率的，波长、无功近场区、辐射远场区的，距离估算值。

表2 - 1，不同工作频率，其波长、无功近场区、辐射远场区的距离估算值。

表2 - 1的计算所得数据，是基本的数值方面的参考。针对给定的工作频率而言，无功近场区的外界大体上是由波长来决定的 ，辐射远场区的内界应当满足大于无功近场区外界的那种约束。当天线尺寸（D或者L）与波长可比或者大于波长之际，其辐射近场区的区域大致处于R1与R2之间。

关于天线场区的划分，其一展现出天线周边场的分布特性，也就是辐射场里的能量借由电磁波的形态朝外部传播，无功近场里的能量透过电场、磁场的形态彼此转换而不朝外部传播；其二说明了天线周围场强的分布状况，距离天线越靠近，场强就越强大。

2.1.2 数据传输原理

在射频识别系统当中，读写器同电子标签之间的通信凭借电磁波予以达成，依据通信距离划分成近场与远场，相应地，读写器跟电子标签之间的数据交换方式也被划分成负载调制以及反向散射调制。

1.负载调制

近距离低频射频识别系统借助准静态场的耦合得以实现，在这般情形下，读写器跟电子标签之间的天线能量交换方式与变压器模型相类似，被称作负载调制，负载调制实则是经由改变电子标签天线上负载电阻的接通与断开，致使读写器天线上的电压产生变化，达成用近距离电子标签对天线电压进行振幅调制的功能。要是通过数据来操控负载电压的接通还有断开，那这些数据便能从电子标签传输至读写器当中了。在125kHz的射频识别系统当中吧，有一种调制方式被广泛应用了，在13.56MHz的射频识别系统里呢，同样这种调制方式也得到了广泛应用。

2.反向散射调制

于典型远场里，像915MHz、2.45GHz的射频识别系统那般，读写器跟电子标签间的距离存在几米，然而载波波长仅仅有几厘米至几十厘米。读写器与电子标签之间的能量传递方式是反向散射调制。

反向散射调制，是无源射频识别系统里，电子标签把数据发送回读写器时采用的通信方式，电子标签返回数据靠控制天线的阻抗，控制电子标签天线阻抗的方法多样，都是基于“阻抗开关”的方法，实际采用的几种电子标签阻抗开关，有 变容二极管、逻辑门 以及 高速开关等，电子标签阻抗控制方式如图2-1所示。

图2-1 电子标签阻抗控制方式

存在着两种电平的信号，此信号是要发送的数据信号，借助一个简单的混频器（逻辑门）跟中频信号达成调制，把调制的结果连接至一个“阻抗开关”，凭借阻抗开关去改变天线的发射系数，借此对载波信号完成调制。这种数据调制方式跟普通常见的数据通信方式之间存在着很大的区别，在整个环环相扣连绵不断的数据通信链路里，仅仅只有一个发射机，然而却完成了双向的数据通信。电子标签依据要发送的数据，通过控制天线开关，进而改变匹配程度。如此一来，从标签那儿返回的数据，就处在了被调制的状态，被调制到了返回的电磁波幅度之上。这存在着某种类似的情况，类似振幅键控，也就是ASK调制。

无源电子标签，关乎波束供电技术，其工作所需能量，直接取自电磁波束。有源射频识别系统与之相比状况不同，无源系统要求较大发射功率，电磁波于电子标签处，历经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转变为电子标签工作所需的工作电压。

3.反向散射调制的能量传输

首先，电磁波从天线向周围空间发射时，该过程是会遇到不同目标的。其次，当电磁能量达到目标后，其中一部分会被目标吸收，而另一部分则会以不同强度散射到各个方向之上。然后，那些反射能量中的一部分终将会返回到发射天线。最后，关于射频识别系统而言，存在着一种可以采用反向散射调制的系统，此系统利用电磁波反射成功完成从电子标签到读写器的数据传输，并且主要应用在915MHz、2.45GHz或者更高频率的系统之中。

（1）读写器到电子标签的能量传输

在距离读写器R处的电子标签的功率密度为

在式子当中，PTx所指的是读写器的发射功率，GTx是发射天线的增益，R代表的是电子标签和读写器之间的距离，EIRP是天线的等效全向辐射功率，也就是读写器发射功率与天线增益的乘积。

于电子标签跟发射天线达成最佳对准之际，且处于正确极化状态之时，电子标签能够吸收的最大功率，跟入射波的功率密度S呈现出成正比的关系，此即为。

式中，GTag为电子标签的天线增益，

电磁场供电的是无源射频识别系统的电子标签，越大的电子标签功耗，越近的读写距离，越差的性能。工作电压决定射频电子标签能否工作，这也决定无源射频识别系统的识别距离。

（2）电子标签到读写器的能量传输

电子标签返回的能量，和它的雷达散射截面，也就是那个RCS，其中的σ是成正比的，它是目标反射电磁波能力的一种测量，散射截面取决于一系列参数，像目标的大小，形状，材料，表面结构，波长以及极化方向等，电子标签返回的能量为。

电子标签返回读写器的功率密度为

接收天线的有效面积为

式中，GRX为接收天线增益。

接收功率为

依据上式能够看出，要是将接收的电子标签的反射能量当作标准，如此一来，反向散射的射频识别系统的作用距离，跟读写器发送功率的4次方根呈现出成正比的关系。

2.1.3 RFID的天线技术

在无线通信系统里，要把来自发射机的导波能量变成无线电波，或者把无线电波转成导波能量，用于辐射和接收无线电波其装置叫做天线，对否，发射机产生的已调制高频电流能量或导波能量经由馈线传输至发射天线，经天线转换为某极化的电磁波能量，朝着所需方向发出，抵达接收点后，接收天线把来自空间特定方向某极化的电磁波能量再转成已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端，哦对，这么回事，怎么样这段输出符合你的要求吧。

天线应有以下功能。

1）天线需要把导波能量尽可能多地转变成电磁波能量，这一情况，一开始就要求天线是个良好的电磁开放系统，其次还要求天线跟发射机或者接收机匹配。

2）天线要让电磁波尽可能地集中在确定的方向上边，或者对确定方向过来的波进行最大限度的接受，也就是在方向方面，具备方向性。

3）天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。

4）天线应有足够的工作频带。

接下来的这4点，是专属于天线的最为基础的功能，依据这些功能，能够把若干参数当作设计以及评价天线用的依据。有一种系统，它是专门用于把天线跟发射机或者接收机连接在一起的，它被称作馈线系统。馈线的形式，会因为频率不一样而出现变化，具体有导线传输线、同轴线传输线、波导或者微带线等等。我们所说的馈线，实际上它就是传输线。天线的电参数，是那些能够做定量表征其能量转换还有定向辐射能力的量，其中涵盖了天线的方向性、天线效率、增益系数、极化方向、频带宽度、输入阻抗以及有效长度。

2.1.4 RFID天线的应用和设计

现如今的社会之中，产品变得越发丰富起来，数据管理的需求也跟着越来越高了，人们得把处于生产过程、销售过程、流通过程里的多种多样的物品予以标识、管理以及定位。要是采用传统的条形码去对物品进行标识那可就会带来一系的不便之处，像没办法进行距离比较远的识别，需要人工去进行干预，好多物品都没办法标识呀等等。相反的，因为射频识别RFID系统运用具有穿透性的电磁波来开展识别工作，所以能够进行距离较远的识别，不需要人工进行干预，还可以给各种各样的物品做标识。

射频识别技术，是一种自动识别技术，且这种自动识别技术是非接触的。它是一种短距离无线通信系统，该系统由3部分组成，分别是电子标签，也就是Tag/Transponder，还有读写器，即Reader/Interrogator，以及中间件，也就是Middle-Ware。射频识别里的标签，是射频识别标签芯片与标签天线结合而成的。标签依据其工作模式不同分化为主动标签和被动标签。那种自身携带电池从而为读写器通信提供所需能量的是主动标签，被动标签呢，采用感应耦合或者反向散射工作模式，也就是凭借标签天线从读写器发出的电磁场或者电磁波来获取能量激活芯片，并且还要调节射频识别标签芯片跟标签天线的匹配程度，再把储存在标签芯片里的信息反馈给读写器。所以，射频识别标签天线的阻抗得和标签芯片的输入阻抗共轭匹配，这样标签芯片才能最大限度地获取射频识别读写器发出的电磁能量。此外，对标签天线进行设计时，要考虑电子标签应用的场合kiayun手机版登录打开即玩v1011.速装上线体验.中国，像应用在金属物体表面的标签天线，和应用在普通物体表面的标签天线，在天线结构与选材方面有很大差别。适合多种芯片、低成本且多用途的标签天线，是射频识别在我国广泛普及的关键技术之一。

1.电子标签天线分类

在采用被动式标签的射频识别系统当中，依据工作频段不一样具有两种不同的工作模式。一种是感应耦合，也就是Inductive Coupling工作模式，这种模式被称作近场工作模式，它主要适用于低频以及高频的RFID系统。另一种是反向散射，也就是Backscattering工作模式，这种模式被称作远场工作模式，主要适用于超高频以及微波的RFID系统。

电磁感应耦合模式主要是讲，读写器天线采用线圈形式，标签天线同样采用线圈形式。读写器阅读标签时，会发出未经调制的信号，处于读写器天线近场的电子标签天线，接收到该信号并激活标签芯片，之后，标签芯片依据内部存储的全球唯一识别号，也就是ID，来控制标签天线中的电流大小，这个电流大小会进一步增强或者减小阅读器天线发出的磁场。此刻，读写器的近场部分展现出被调制的特性，读写器内部的电路检测出这个因标签而产生的调制量，接着进行解调，进而获得标签信息。

于反向散射工作模式里，读写器与电子标签间借由电磁波开展信息传输工作。当读写器对标签予以阅读识别之际，先是发出未被调制的电磁波，此刻处于远场的电子标签天线接收到该电磁波信号，且在天线上产生感应电压，电子标签内部电路把这个感应电压进行整流继而放大，用以激活标签芯片。在标签芯片被激活之后，利用自身的全球唯一标识号去让标签芯片的阻抗产生变化，当电子标签芯片的阻抗与标签芯片之间的阻抗匹配程度较好时，基本不会反射信号，而当阻抗匹配程度不好时，就会将信号几乎全部反射，这样一来，反射信号就出现了振幅方面的变化，这种情形类似于针对反射信号做幅度调制处理，读写器借由接收到经过调制的反射信号来判断该电子标签的标识号进而进行识别，这类天线主要涵盖微带天线、平面偶极子天线以及环形天线。

2.电子标签天线的设计与测试

如前面所说，工作在低频的射频识别系统在通信期间是以感应耦合模式来开展的开·云app体育登录入口，工作于高频的射频识别系统用来通信的模式同样是感应耦合模式，所以工作在低频频段的读写器是采用线圈这个形式的天线来进行工作的，工作在高频频段的电子标签也是采用线圈这个形式的天线来进行工作的。基于近场作用范围带来的限制，工作在这两个不同频段的射频识别系统的都出现了识别距离比较短这种结果。依据当下已经呈现出来的状况来看，采用近场通信方式的射频识别系统其最大的识别距离是小于1m的。

一方面，低频频段的射频识别系统所运用的是电磁场耦合模式 ，另一方面，高频频段的射频识别系统运用的同样是电磁场耦合模式 ，所以，系统当中的天线全都采用线圈形式 ，而采用这种线圈形式存在主要原因 ，具体如下。

1）电磁场的耦合在线圈之间比较紧密。

2）天线采用线圈形式，如此一来，进一步减小了天线体积，进而，又减小了标签体积。

3）标签芯片的特性要求标签天线具有一定的电抗。

就超高频以及微波波段而言，电子标签与读写器间的通信，采用的是反向散射工作方式，这时，连接电子标签和读写器的桥梁，已不再是近磁场而是电磁波，此时，被动型电子标签处于读写器的电磁波远场之中，依据频带的波长以及天线的口径，能够计算出该频带内射频识别系统的远场和读写器之间的距离。大体来讲，存在这样一种情况，被动性标签于超高频范畴内的工作距离能够达约10m ，依据现有的资料来看，工作在微波波段（关键是指2.45GHz）的被动标签工作距离仅仅大概为1m。所以，当下采用反向散射工作模式的射频识别系统主要选用的是处于860～960MHz的超高频频段。

在射频识别系统里，此系统由被动型标签天线构成，标签要从读写器所产生的电磁场，或从电磁波里获取能量来激活标签芯片，因此，电子标签中有一部分电路，专门用于检测标签天线上的感生电动势，或者检测感应电压，通过二极管电路予以整流，再经过其他电路进行电压放大等操作，这些电路集成存在于标签芯片内部，当芯片进行封装时，通常还会引入一部分分布式电容。然而kiayun手机版登录下载，天线设计自身并不要求知晓芯片里的具体电路，仅仅需要把控芯片以及经过封装后的芯片阻抗，并且借助最大能量传递的法则去设计天线的输入阻抗就行。

电子标签芯片的输出阻抗存在电抗分量，要实现能量的最大传递，就得把天线的输入阻抗设计成标签芯片阻抗的共轭。通常来讲，电子标签芯片的输入阻抗呈Z=R-jX的形式。为了得到共轭形式的阻抗，电子标签天线的阻抗应是Z=R+jX的形式。

前述情况中来讲，工作于处于低频以及高频状态的射频识别系统里的被动标签天线，采用了呈现这样一种形态特征的线圈形式，如此这般的线圈形式能够引入感抗，其功效在于抵消掉等效电路当中的容抗，进而达成标签芯片与天线之间的具备最大程度的能量传递。

针对于工作在超高频以及微波频段的标签天线来讲，要引入感抗去抵消芯片的容抗，在天线设计里要加入环形结构来进行感性馈电等。除此之外，为了在规定的等效全向辐射功率即EIRP之下获取更远的阅读距离，除了要求电子标签天线具备高增益外，还要求在电子标签天线与标签芯片之间存在足够的匹配。

当在标签天线那儿展开设计以及仿真，进而获取理想结果之后，就得把天线进行加工，接着开展测试，以此校验设计与仿真的正确性。就如同前文所讲的那般，标签天线具备复数阻抗这一特性，它的测试方法跟有着实数阻抗天线的测试方法存在差异。此外，在对同一个标签天线进行测试的进程里，依据所需数据的不一样，其测试方法也不同，通常在测试天线期间，并不需要专门去测试天线的输入阻抗。但标签天线的阻抗是负数阻抗，再者其虚部和实部的比值较大，一般是X/R远远大于十，这样的阻抗曲线在史密斯圆图里靠近短路圆，不容易借助Smith网图去观察天线的阻抗带宽。为了得到标签天线的输入阻抗，能够把测试设备的输出端口直接跟天线的输入端口相连接。这种方式没有考虑标签天线自身具备复数阻抗这个特性。天线与测试设备之间，并未达成共轭匹配的状态，在这个时候，仅仅能够获取天线的阻抗参数，像散射矩阵参数以及驻波比等，这些常常用于度量天线的电路参数，然而却无法直接予以获取。

为了获取散射参数和驻波比等电路参数，用以对天线的阻抗带宽特性予以评价，能够把实测的阻抗参数代入相关公式来进行计算，或者借助阻抗匹配的方式在测试设备与天线之间增添匹配电路。匹配电路能由两种方法形成，其一采用工作频率较高的分立元器件来构成，其二采用微波电路来构成。要留意的是，匹配电路应当距离天线端口足够近，如此才可获得较大的带宽，并且规避天线与匹配电路之间连接线路所带来的负面作用。

电路用于标签天线的测试。不过采用匹配电路具有一些缺点。

1）不管是运用分立元器件结构阻抗配电路，还是采用微波电路搭建阻抗配电路，其所能拥有的带宽一直是受到限定的，一旦天线实际具备的带宽比匹配电路的带宽要大，那么此时进行测试所得到的带宽就不会再是精准无误的了。

2）匹配电路一直存在着损耗，测试得出的带宽参数，测试得出的回波损耗值参数，与真实的天线参数存在着一些差别，是这样的情况。

3）被引入的匹配电路，一直和天线之间存有距离，进而致使测试有着一定误差。

实施上述运用匹配电路开展测试的方案，除了能够获取具备肯定精度的带宽以及同波损耗等参数以外，对于测试天线的方向图以及增益等辐射特性而言，同样是必不可少的。唯有借助阻抗匹配电路，才能够把天线所接收到的绝大部分能量，以基本不存在反射的状态传输至测试系统内，进而对相应的辐射参数予以测试。

随着射频识别技术应用范围持续拓展，越来越多场合对射频识别系统有使用需求。电子标签天线是射频识别系统里不可缺少的关键部分，其设计、生产、测试等都是未来研究的主要内容之一。鉴于电磁波的固有特质，在像临近金属和液体等环境里，射频识别系统的性能会大幅降低。在这类环境中，除提高读写器性能外，电子标签天线性能的提升更为关键。另外，柔性电子标签贴在非平坦表面时性能也会变差。一件目前的研究重点之事是，怎样去避免因柔性标签应用于并非平坦的表面而产生的那种影响。