RFID系统基本原理

RFID系统基本原理一、RFID基本原理电感耦合型RFID系统二、三、电磁反向散射RFID系统四、声表面波标签的识别原理一、RFID基本原理电感耦合型RFID系统二、三、电磁反向散射RFID系统四、声表面波标签的识别原理一、RFID基本原理RFID系统的基本工作原理是：由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器发送到阅读器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成不同的读写操作。从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分成两类，即电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。一、RFID基本原理一、RFID基本原理电感耦合型RFID系统二、三、电磁反向散射RFID系统四、声表面波标签的识别原理二、电感耦合型RFID系统1、电感耦合的工作原理RFID的电感耦合方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据载体，通常由单个微芯片及用做天线的大面积的线圈等组成。电感耦合型RFID系统的工作原理如下图所示，电感耦合方式的电子标签几乎都是无源工作的，在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和线圈的周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。Cr1、电感耦合的工作原理电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。二、电感耦合型RFID系统2、数据传输：对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超越0.16λ，并电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负载调制（电感耦合、变压器耦合）。如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。二、电感耦合型RFID系统此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱，因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。在实践中，对13.56MHz的系统，天线电压（谐振时）只能得到约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制也称为副载波调制。二、电感耦合型RFID系统一、RFID基本原理电感耦合型RFID系统二、三、电磁反向散射RFID系统四、声表面波标签的识别原理三、电磁反向散射RFID系统1、RFID反向散射耦合方式一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频，应答器和读写器的距离大于1m。RFID反向散射耦合方式的原理框图如下图所示，图中的阅读器、应答器（电子标签）和天线构成了一个收发通信系统。三、电磁反向散射RFID系统2、反向散射调制雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。三、电磁反向散射RFID系统2、反向散射调制当电磁波从天线向周围空间发射时，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称之为回波。在雷达技术中，可用这种反射波测量目标的距离和方位。对RFID系统来说，可以采用电磁反向散射耦合工作方式，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输。这种工作方式主要应用在915MHz、2.45GNz或更高频率的系统中。三、电磁反向散射RFID系统3、RFID反向散射耦合工作原理电磁反向散射系统（如下图所示）的工作可分为以下两个过程。（1）电子标签接受读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当卷标接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换成直流电压，这个直流电压供给电子标签内芯片能量；当载波携带数据或者命令时，电子标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。三、电磁反向散射RFID系统3、RFID反向散射耦合工作原理（2）电子标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被电子标签转化成直流电压，供给电子标签工作；另一部分被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传送信息。一、RFID基本原理电感耦合型RFID系统二、三、电磁反向散射RFID系统四、声表面波标签的识别原理四、声表面波标签的识别原理1、声表面波器件声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。SAW器件的体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较宽，并且可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单，重获得性和设计灵活性高。声表面波器件具有广泛的应用，如通信设备中的滤波器。在RFID应用中，声表面波应答器的工作频率目前主要为2.45GHz。声表面波应答器的基本结构四、声表面波标签的识别原理2、声表面波RFID的原理声表面波（SurfaceAcousticwave,SAW)是传播于晶体表面的一种机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，传播衰耗很小。声表面波器件的功能部分，是采用现代电子技术在表面抛光的压电材料基片制作的叉指换能器、反射体和耦合栅等金属电极结构，基于（逆）压电效应，射频信号在经历电磁波—声表面波---电磁波的换能过程中得到处理，达到预定功能要求。以高频谐振器、带通滤波器为代表的现代声表面波器件，具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、功能多及设计灵活等优点，已成为先进广泛使用的电子关键元器件。SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成，换能器的两条总线与电子标签的天线相连接。阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲，在电子标签天线的接收范围内，被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播。反射器组成对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉指换能器又将反射脉冲串转变成高频电脉冲串。由于声表面波的传播速率低，有效的反射脉冲串在经过及微妙的延迟时间后才回到阅读器（如下图表示。）如果将反射器组按某种特定的规律设计，使其反射信号表示规定的编码信息，那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码，通过解调与处理、即可达到自动识别的目的。四、声表面波标签的识别原理四、声表面波标签的识别原理3、声表面波RFID系统的关键技术（1）标签编码容量与作用距离增加反射体数目和改进编码方法，是提高SAW标签编码容量的主要措施。增加反射体数目会增加芯片长度，并受声表面波传输损耗和成本限制。即使采用声道折叠、并列声道和转向结构等来减小芯片长度，但为保持反射回波脉冲均匀，每个反射体的反射能力应降低，则必然导致回波强度减小，作用距离减小。四、声表面波标签的识别原理3、声表面波RFID系统的关键技术（2）应答器和读写器的配合读写器属于通用简易脉冲雷达系统，RFID系统的性能与读写器的性能息息相关，技术实现难度取决于比特率、标签性能和编码调制方法。声表面波标签回波的主要特征是：反射回波幅度小、涨幅有涨落；但其时间特征可以预知。因此读写器应有同步时钟、等时间闸等适应声表面波标签特征的电路，以提高声表面波标签的性能。（3）应用小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线为增加识别距离和提高识别可能性，应尽量加大天线尺寸，但在一些应用中，却希望标签尺寸越小越好。因此，小型且低成本适合待识别物品的电子标签天线是应用的关键。四、声表面波标签的识别原理（4）封装由于标签附着的物品和使用环境千差万别，所以其封装结构各有特色，它们都必须达到以下几个要求。保证压电芯片在工作寿命期间能耐受外部环境应力及其变化，不造成性能恶化。至少不能影响或极少影响标签天线的高频电磁波接收效果。固定于待识别物的方法简单、附着牢靠，不明显损伤该物品。外型美观，对于待识别物和谐，并满足安全和保护环境等要求。四、声表面波标签的识别原理4、声表面波RFID系统的应用领域以及它的优点由于SAW器件本身工作在射频波段，无源且抗电磁干扰能力强，所以SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势，是对集成电路（IC）技术的补充。SAW标签应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、超市防盗、航空行李分拣、邮包跟踪、流水线控制与跟踪、体育竞赛等。同时也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等变化参数的测量，如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。四、声表面波标签的识别原理4、声表面波RFID系统的应用领域以及它的优点声表面波RFID的主要优点有：（1）读取范围大且可靠，可达数米；（2）可使用在金属和液体产品上；（3）标签芯片与天线的匹配简单，制作工艺成本低；（4）不仅能识别静止的物体，而且能识别速度达300km/h的高速运动物体。（5）可在高温差（-100℃～300℃）、强电磁干扰等恶劣环境下使用。四、声表面波标签的识别原理