RFID核心技術(shù)解密

射頻標(biāo)簽
　　
射頻標(biāo)簽就是含有物品唯一標(biāo)識(shí)體系的編碼的標(biāo)簽。這種唯一標(biāo)識(shí)體系包括產(chǎn)品電子代碼EPC、泛在識(shí)別號(hào)UCODE、車輛識(shí)別代碼VIN、國(guó)際證券標(biāo)識(shí)號(hào)ISIN、以及IPv6等等。
　　
其中，產(chǎn)品電子代碼(EPC)是全球產(chǎn)品代碼的一個(gè)分支，它可以識(shí)別視野之外的目標(biāo)。電子產(chǎn)品代碼并不僅僅是一個(gè)無(wú)線電波條形碼，它包含著一系列的數(shù)據(jù)和信息，象產(chǎn)地，日期代碼和其他關(guān)鍵的供應(yīng)信息，這些信息儲(chǔ)存在一個(gè)小的硅片中，利用標(biāo)簽，解讀器和計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，生產(chǎn)者和零售商就可以隨時(shí)了解精確的產(chǎn)品和庫(kù)存信息。
　　　
射頻標(biāo)簽根據(jù)商家種類的不同能儲(chǔ)存從512字節(jié)到4兆不等的數(shù)據(jù)。標(biāo)簽中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的應(yīng)用和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)決定的。例如，標(biāo)簽?zāi)軌蛱峁┊a(chǎn)品生產(chǎn)，運(yùn)輸，存儲(chǔ)情況，也可以辨別機(jī)器，動(dòng)物和個(gè)體的身份。這些類似于條形碼中存儲(chǔ)的信息。標(biāo)簽還可以連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)產(chǎn)品庫(kù)存編號(hào)，當(dāng)前位置，狀態(tài)，售價(jià)，批號(hào)的信息。相應(yīng)的，射頻標(biāo)簽在讀取數(shù)據(jù)時(shí)不用參照數(shù)據(jù)庫(kù)可以直接確定代碼的含義。
　　　
目前，射頻標(biāo)簽價(jià)格根據(jù)標(biāo)簽種類和應(yīng)用價(jià)格從30美分到50美元不等，總的來(lái)說(shuō)，用在高檔產(chǎn)品中的智能標(biāo)簽在50美分以上，主動(dòng)標(biāo)簽要貴的多，帶有復(fù)雜靈敏元件的價(jià)格在100美元以上。
　　
射頻標(biāo)簽的目的是使用一種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品代碼，使產(chǎn)品在不同領(lǐng)域都能被辨識(shí)。
　　
射頻閱讀器
　　
在RFID系統(tǒng)中，信號(hào)接收設(shè)備一般叫做閱讀器(或讀卡器)。閱讀器的基本功能就是提供與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌凇?
　　
射頻卡
　　　
目前生產(chǎn)RFID產(chǎn)品的很多公司都采用自己的標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)際上還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，可供射頻卡使用的幾種標(biāo)準(zhǔn)有ISO10536、ISO14443、ISO15693和ISO18OOO。應(yīng)用最多的是ISO14443和ISO15693，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都由物理特性、射頻功率和信號(hào)接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成。
　　　
按照不同得方式，射頻卡有以下幾種分類：
　　　
1.按供電方式分為有源卡和無(wú)源卡。有源是指卡內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠(yuǎn)，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作；無(wú)源卡內(nèi)無(wú)電池，它利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對(duì)有源卡短，但壽命長(zhǎng)且對(duì)工作環(huán)境要求不高。
　　　
2.按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種，中頻射頻卡頻率主要為13.56MHz，高頻射頻卡主要為433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、動(dòng)物監(jiān)管、貨物跟蹤等。中頻系統(tǒng)用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)；高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫(xiě)距離和高讀寫(xiě)速度的場(chǎng)合，其天線波束方向較窄且價(jià)格較高，在火車監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)中應(yīng)用。
　　　
3.按調(diào)制方式的不同可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式射頻卡用自身的射頻能量主動(dòng)地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器；被動(dòng)式射頻卡使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫(xiě)器的載波來(lái)調(diào)制自己的信號(hào)，該類技術(shù)適合用在門禁或交通應(yīng)用中，因?yàn)樽x寫(xiě)器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的射頻卡。在有障礙物的情況下，用調(diào)制散射方式，讀寫(xiě)器的能量必須來(lái)去穿過(guò)障礙物兩次。而主動(dòng)方式的射頻卡發(fā)射的信號(hào)僅穿過(guò)障礙物一次，因此主動(dòng)方式工作的射頻卡主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離更遠(yuǎn)(可達(dá)30米)。
　　　
4.按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小于1厘米)、近耦合卡(作用距離小于15厘米)、疏耦合卡(作用距離約1米)和遠(yuǎn)距離卡(作用距離從1米到10米，甚至更遠(yuǎn))。
　　
5. 按芯片分為只讀卡、讀寫(xiě)卡和CPU卡。
　　
射頻天線
　　　
引 言
　　　
在RF裝置中，工作頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配。本文考慮的頻帶是435MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。
　　　
天線必須：
　　　
足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上；
　　　
有全向或半球覆蓋的方向性；
　　
提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；
　　　
無(wú)論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問(wèn)信號(hào)相匹配；
　　　
具有魯棒性；
　　　
非常便宜。
　　　
在選擇天線的時(shí)候的主要考慮是：
　　　
天線的類型；
　　　
天線的阻抗：
　　　
在應(yīng)用到物品上的RF的性能；
　　　
在有其他的物品圍繞貼標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能。
　　
可能的選擇
　　　
這里有兩種使用方式：一)貼標(biāo)簽的物品被放在倉(cāng)庫(kù)中，有一個(gè)便攜裝置，可能是手持式，詢問(wèn)所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息；二)在倉(cāng)庫(kù)的門口安裝讀卡設(shè)配，詢問(wèn)并記錄進(jìn)出物品。還有一個(gè)主要的選擇是有源標(biāo)簽還是無(wú)源標(biāo)簽[1],[2]。
　　
可選的天線
　　　
在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz頻率是用的RFID系統(tǒng)中，可選的天線有幾種，見(jiàn)下表，它們重點(diǎn)考慮了天線的尺寸。這樣的小天線的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類型，全向的天線具有峰值增益0到2dBi；方向性的天線的增益可以達(dá)到6dBi。增益大小影響天線的作用距離。下表中的前三個(gè)種類的天線是線極化的，但是微帶面天線可以使圓極化的，對(duì)數(shù)螺旋天線僅僅是圓極化的。由于RFID標(biāo)簽的方向性是不可控的，所以讀卡機(jī)必須是圓極化的。一個(gè)圓極化的標(biāo)簽天線可以產(chǎn)生3dB 以強(qiáng)的信號(hào)。
　　
阻抗問(wèn)題
　　　
為了最大功率傳輸，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來(lái)，設(shè)計(jì)天線與50 或70歐姆的阻抗匹配，但是可能設(shè)計(jì)天線具有其他的特性阻抗。例如，一個(gè)縫隙天線可以設(shè)計(jì)具有幾百歐姆的阻抗。一個(gè)折疊偶極子的阻抗可以是一做個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線的引出點(diǎn)能夠提供一個(gè)很寬范圍的阻抗(通常是40 到100歐姆)。選擇天線的類型，以至于它的阻抗能夠和標(biāo)簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。另一個(gè)問(wèn)題是其他的與天線接近的物體可以降低天線的返回?fù)p耗。對(duì)于全向天線，例如雙偶極子天線，這個(gè)影響是顯著的。改變雙偶極子天線和一聽(tīng)番茄醬的間距做了一些實(shí)際測(cè)量，顯示了一些變化，見(jiàn)圖4和圖5。其他的物體也有相似的影響。此外是物體的介電常數(shù)，而不是金屬，改變了諧振頻率。一塑料瓶子水降低了最小返回?fù)p耗頻率16%。當(dāng)物體與天線的距離小于62.5mm的時(shí)候，返回?fù)p耗將導(dǎo)致一個(gè)3.0 dB的插入損耗，而天線的自由空間插入損耗才0.2dB?？梢栽O(shè)計(jì)天線使它與接近物體的情況相匹配，但是天線的行為對(duì)于不同的物體和不同的物體距離而不同。對(duì)于全向天線是不可行的，所以設(shè)計(jì)方向性強(qiáng)的天線，它們不受這個(gè)問(wèn)題的影響。
　　
輻射模式
　　　
在一個(gè)無(wú)反射的環(huán)境中測(cè)試了天線的模式，包括了各種需要貼標(biāo)簽的物體，在使用全向天線的時(shí)候性能嚴(yán)重下降。圓柱金屬聽(tīng)引起的性能下降是最嚴(yán)重的，在它與天線距離50mm的時(shí)候，反回的信號(hào)下降大于20dB (見(jiàn)圖6)。天線與物體的中心距離分開(kāi)到100—150mm的時(shí)候，反回信號(hào)下降約10 到12dB。在與天線距離100mm的時(shí)候，測(cè)量了幾瓶水(塑料和玻璃)，見(jiàn)圖7，反回信號(hào)降低大于10dB。 在蠟紙盒的液體，甚至蘋果上做試驗(yàn)得到了類似的結(jié)果。
　　
局部結(jié)構(gòu)的影響
　　　
在使用手持的儀器的時(shí)候，大量的其他臨近物體的使讀卡機(jī)天線和標(biāo)簽天線的輻射模式嚴(yán)重失真。這可以對(duì)于2.45GHz的工作頻率計(jì)算，假設(shè)一個(gè)代表性的幾何形狀，見(jiàn)圖8,9,10，和自由空間相比，顯示返回信號(hào)降低了10dB，在雙天線同時(shí)使用的時(shí)候，比預(yù)料的模式下降的更多。圖11和圖12是在一個(gè)天線前的一個(gè)橫截平面的接收信號(hào)等高線圖，顯示了嚴(yán)重的失真。在倉(cāng)庫(kù)的使用環(huán)境下，一個(gè)物品盒子具有一個(gè)標(biāo)簽會(huì)有問(wèn)題，幾個(gè)標(biāo)簽貼在一個(gè)盒子上以確保所有時(shí)候都有一個(gè)標(biāo)簽是可以看見(jiàn)的。便攜系統(tǒng)的使用有幾個(gè)天線的問(wèn)題。每個(gè)盒子兩個(gè)天線足夠適合門禁裝置探測(cè)，這樣局部結(jié)構(gòu)的影響變得不再重要，因?yàn)殚T禁裝置的讀卡機(jī)天線被固定在倉(cāng)庫(kù)的出入，并且直接指向貼標(biāo)簽的物體。
　　
距 離
　　
RFID天線的增益和是否使用有源的標(biāo)簽芯片將影響系統(tǒng)的使用距離。樂(lè)觀的考慮，在電磁場(chǎng)的輻射強(qiáng)度符合UK的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，2.45GHz 的無(wú)源情況下，全波整流，驅(qū)動(dòng)電壓不大于3伏，優(yōu)化的RFID天線阻抗環(huán)境(阻抗 200 或300歐姆)，使用距離大約是1米[3]。如果使用WHO限制[4]則更適合于全球范圍的使用，但是作用距離下降了一半。這些限制了讀卡機(jī)到標(biāo)簽的電磁場(chǎng)功率。作用距離隨著頻率升高而下降。如果使用有源芯片作用距離可以達(dá)到5到10米。
　　
總 結(jié)
　　　
全向天線應(yīng)該避免在標(biāo)簽中使用，然而是可以使用方向性天線，它具有更少的輻射模式和返回?fù)p耗的干擾。天線類型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配。在一個(gè)倉(cāng)庫(kù)中使用天線好像是不可行的，除非使用有源標(biāo)簽，但是在任何情況下，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的天線輻射模式將嚴(yán)重失真。一個(gè)門禁系統(tǒng)的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無(wú)源標(biāo)簽。當(dāng)然門禁系統(tǒng)比手持的儀器昂貴，但是手持儀器工作人員需要使用它到倉(cāng)庫(kù)搜尋物品，人員費(fèi)用同樣昂貴。在門禁系統(tǒng)中，每一個(gè)物品盒子，僅需要2個(gè)而不是4個(gè)或6個(gè)RFID標(biāo)簽。