射頻識別(RFID)原理-RFID技術基本原理

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RFID技術的基本原理RFID的基本原理框圖閱讀器通過天線在一個區(qū)域內(nèi)發(fā)送射頻能量形成電磁場，區(qū)域的大小取決于發(fā)射功率；應答器（標簽）進入磁場，產(chǎn)生感應電流從而獲得能量，向閱讀器發(fā)送自身存儲的數(shù)據(jù)，或根據(jù)閱讀器的指令修改存儲在其中的數(shù)據(jù)，；閱讀器接收應答器發(fā)送的信號，解碼并校驗數(shù)據(jù)的準確性，并通過接口與計算機網(wǎng)絡進行通信。從電子標簽到閱讀器之間的通信及能量感應方式來看，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:通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，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。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(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RFID神秘面紗——理解RFID工作原理揭開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、微頻工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)，典型的工作頻率有433MHz、915MHz、2.45KHz、5.8GHz。識別作用距離大于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)遠距離電磁耦合（a)近距離電感耦電感耦合RFID系統(tǒng)揭開RFID神秘面紗——理解RFID工作原理電感耦合方式的電子標簽幾乎都是無源工作的，在標簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應電磁能提供。高頻的強電磁場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，以使附近的電子標簽產(chǎn)生電磁感應。發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過距離閱讀器天線線圈一定距離的電子標簽天線線圈。通過感應，在電子標簽的天線線圈產(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)生供遠距離電子標簽工作所需要的場強。電感耦合RFID系統(tǒng)揭開RFID神秘面紗——理解RFID工作原理電感耦合RFID系統(tǒng)電子標簽的天線線圈和電容器C1構成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過該回路的諧振，電子標簽線圈上的電壓U達到最大值。這兩個線圈的結構也可以解釋為變壓器（變壓器的耦合），變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合。因為電感耦合系統(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簽（小于135kHZ）可用于1m以上的距離。具有寫入功能和復雜安全算法的電子標簽的功率消耗較大，因而其一般的作用距離為15cm。負載調(diào)制電感耦合RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸電子標簽與閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用負載調(diào)制，電感耦合是一種變壓器耦合，即作為初級線圈的閱讀器和作為次級線圈的電子標簽之間的耦合。只要線圈之間的距離不超過0.16?，并且電子標簽處于發(fā)送天線的近場范圍內(nèi)，變壓器耦合就有效。如果把諧振的電子標簽放入閱讀天線的交變磁場，那么電子標簽就可以從磁場獲得能量。從供應閱讀器天線的電流在閱讀器內(nèi)阻上的壓降可以測得此附加功耗。電子標簽天線上負載電阻的接通和斷開促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)了用電子標簽對天線電壓進行振幅調(diào)制。而通過數(shù)據(jù)控制負載電壓的接通和斷開，這些數(shù)據(jù)就可以從標簽傳輸?shù)介喿x器了。同時，為了在閱讀器中回收數(shù)據(jù)，需要對在閱讀器天線上的測得的電壓進行整流，即對經(jīng)過振幅調(diào)制的信號進行解調(diào)。電感耦合RFID系統(tǒng)另外，由于閱讀器天線和電子標簽天線之間的耦合很弱，因此閱讀器天線上表示有用信號的電壓波動比閱讀器的輸出電壓小。在實踐中，對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。因為檢測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。如果電子標簽的附加負載電阻以很高的時鐘頻率?H接通或斷開，那么在閱讀器發(fā)送頻率將產(chǎn)生兩條譜線，此時該信號就容易檢測了，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)流中通過幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控(FSK)或相移鍵控（PSK）調(diào)制來完成的。雷達技術為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應用基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。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），對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標的有關信息。電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會遇到不同的目標。到達目標的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會返回發(fā)射天線，稱之為回波。在雷達技術中，用這種反射波測量目標的距離和方位。對RFID系統(tǒng)來說，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到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸。這主要應用在915MHz、2.45GNz或更高頻率的系統(tǒng)中。1.反向散射調(diào)制一個目標反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數(shù)有關，如目標的大小、形狀和材料，電磁波的波長和極化方向等。由于目標的反射性能通常隨頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應答器和讀寫器的距離大于1

m。RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖所示，讀寫器、應答器和天線構成一個收發(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源應答器的能量由讀寫器提供，讀寫器天線發(fā)射的功率P1經(jīng)自由空間衰減后到達應答器，設到達功率為。中被吸收的功率經(jīng)應答器中的整流電路后形成應答器的工作電壓。在UHF和SHF頻率范圍，有關電磁兼容的國際標準對讀寫器所能發(fā)射的最大功率有嚴格的限制，因此在有些應用中，應答器采用完全無源方式會有一定困難。為解決應答器的供電問題，可在應答器上安裝附加電池。為防止電池不必要的消耗，應答器平時處于低功耗模式，當應答器進入讀寫器的作用范圍時，應答器由獲得的射頻功率激活，進入工作狀態(tài)。(1）應答器的能量供給(2）應答器至讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸由讀寫器傳到應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器，被讀寫器天線接收。接收信號經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸?shù)阶x寫器的接收通道，被放大后經(jīng)處理電路獲得有用信息。應答器天線的反射性能受連接到天線的負載變化的影響，因此，可采用相同的負載調(diào)制方法實現(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，它包含了存儲在應答器中的識別數(shù)據(jù)信息。3）讀寫器至應答器的數(shù)據(jù)傳輸讀寫器至應答器的命令及數(shù)據(jù)傳輸，應根據(jù)RFID的有關標準進行編碼和調(diào)制，或者按所選用應答器的要求進行設計。電磁反向散射系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)工作分為以下兩個過程。（1）卷標接受讀寫器發(fā)射的信號，其中包括已調(diào)制載波和未調(diào)制載波。當卷標接收的信號沒有被調(diào)制時，載波能量全部被轉換成直流電壓，這個直流電壓供給電子卷標內(nèi)芯片能量;當載波攜帶數(shù)據(jù)或者命令時，卷標通過接收電磁波作為自己的能量來源，并對接收信號進行處理，從而接收讀寫器的指令或數(shù)據(jù)。3.RFID反向散射耦合工作原理（2）卷標向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標簽發(fā)送未調(diào)制載波，載波能量一部分被卷標轉化成直流電壓，供給卷標工作；另一部分能量被標簽通過改變射頻前端電路的阻抗調(diào)制并反射載波來向讀寫器傳送信息。電子卷標的等效電路如圖所示，其中，Vs代表天線接收信號，Za表示天線阻抗，Z1表示芯片的輸入阻抗。時序方式能量與數(shù)據(jù)傳輸掃頻法掃頻信號分頻信號檢測法聲表面波應答器

聲表面波（Surface

Acoustic

Wave，SAW）器件是以壓電效應和與表面彈性相關的低速傳播的聲波