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背景射频识别系统是一种新兴的短距离无线通信系统,主要由读写器、标签和数据处理系统三部分组成。读写器天线实现相对容易并且稳定,读写器天线用量相对于标签天线较少,标签天线设计是整个射频识别系统的关键,标签的结构和经济成本问题一直制约射频识别技术的发展。RFID标签起源发展射频识别技术起源于一次世界级的惨烈空战,英国空军提出用无线电识别系统来增加敌友的识别,友方通过发射器发射预设编码,友方会通过应答器回复约定编码;若对方不回答或回答错误则辨识为敌人,该识别系统为英国空军立下汗马功劳。虽然系统只有发射器和应答器两部分,但其基本具备了射频识别技术的主要特征,拉开RFID技术高速发展的序幕。哈瑞的《反射功率通信》则是撞开了另一扇门,推动其在各个应用领域的发展。从1960年开始,超高频RFID技术迅速普及,,其中哈瑞向外公布的RFID传输系统的专利,促进RFID技术的成熟。RFID技术的商业应用主要诞生于20世纪60年代末的1比特应答器的电子商品监督系统(EAS),对当时商铺商品的监管起到至关作用[3]。1979年,RFID标签开始用于标记活体动物,紧接着提出的反向散射调制工作方式及完整的设计方案使得射频识别技术的理论体系走向完整。随后,美国高校联盟推进超高频RFID技术中心成立,使得无源RFID标签的普及向前迈进一步。20世纪90年代,超高频RFID技术在世界各个领域被推广普及。21世纪,RFID技术不断完善,传输性能也大幅度提高,并且价格越来越低,进一步促进射频识别技术融入广泛的商业应用中,美国国防部和全球500强沃尔玛也开始使用RFID技术,领跑射频识别的潮流[4]。RFID系统缺少通用的标准,开放之际,供应商之间的产品兼容性很差,每个供应商都有自己的一套协议标准及设备标准。由于缺乏兼容性,使得推广RFID技术变得困难重重,与此同时,兼容性的缺失使得整个射频应用的技术优化配置发生停滞,难以得到强有力的推广。读写器、标签、后台数据处理器共同构成了整个射频识别系统[3]。读写器发出执行指令给标签,标签被激活工作,反射出储存有标签信息的射频电波给读写器,然后读写器接收,最后数据处理系统进行数据处理。RFID技术的最大魅力在于无线传输信息数据,标签可以任意摆放和活动,只需标签处于读写器电波的覆盖范围。RFID技术相比于传统的磁卡,RFID技术读取距离远,明显的读取速度优势以及对恶劣环境的适应能力,存储信息量也更多,且寿命更长。RFID应用之初引起各方关注,目前广泛应用在智能工业,智能管理交通等领域,如ETC系统、商品监控和管理、仓储门禁等[4]。随着科技的发展,RFID技术、互联网、无线通信网络等高新技术结合的物联网模型必将被构建,从而真正的向着信息化,网络化,智能化一体式发展[5]。RFID技术覆盖了各个应用领域,涵盖了数据通信、挖掘数据和电磁波传输等领域[6]。在整个RFID框架里,对于读写器而言,通常需要天线具有较高的增益,尺寸较大,设计相对复杂,但由于读写器应用数量不大、环境相对简单且性能相对稳定,因此读写器相对容易实现。对于标签天线而言,要求尺寸小,成本低,虽然标签很小,但是由于个体数量巨大,其性能和成本都对整个射频系统的应用有着举足轻重的作用[7]。标签的成本主要来自芯片,而性能源于天线。从表面上看,标签天线结构简单,但实际上,标签天线设计不是一件容易的事情,尤其超高频标签天线。有三方面问题困扰着UHF标签天线的设计者,一方面是标签的小型化,多频段,这是标签应用决定的;二是天线直接与输入阻抗并非50欧实阻抗的芯片相连接,这与传统天线的设计不一样;三是标签一般贴附在金属体或液态环境,保持稳定性能给标签设计带来巨大挑战。国内外关于UHFRFID技术的发展现状随着RFID技术的普及,它被应用于物流制造、零售医疗、交通军事等各个领域。在国外,RFID技术的研究已有相当长的历史,可以检索到的国外RFID专利达到6000多项。其中,一半以上是发明专利。2004年,新加坡学者利用隙耦合方式设计出一款圆极化微带天线,用于2.45GHz频段的射频识别读写器[8]。2005年,EPCGen2(Class1)经过发展渐而被ISO/IEC18000.6C所取代,成为无源UHFRFID的国际标准。我国也在超高频RFID标准化的工作上做了很多努力。2005年11月和12月,中国RFID产业联盟和电子标签工作组先后成立,为RFID电子标签国家标准的制定提供技术支持。经不完全统计,全球射频产业的市场从2005年的20亿市场到2015年的千亿美元市场,发展极其迅速[7]。在射频识别标签的小型化方面,日本的Maxell公司集成的电感线圈射频标签只有米粒大小,用于低频RFID系统,该射频识别标签中集成有作为天线的电感线圈。射频识别商业应用飞速发展的同时,RFID技术也在生活领域大放异彩,2015年,比利时的服装零售商JBC分别在比利时、卢森堡和德国等近百家门市采用大型射频识别系统,射频标签主要安装在制造点,配送点及门店货架,对服装进行时时跟踪,极大简化了各项工作,能够对整个系统标识在内的服装进行统计分析。2016年初,总部位于德国的射频硬件提供商主打一款新型射频腕带,主要用来作访问控制,近似于一种无线的自动射频读取卡。国外的射频标签天线的研究主要集中在特定标签的研究,反而天线的结构对射频天线性能的影响这一方面不是很关注,天线设计和研究理论缺乏后续动力[8]。在国内,RFID技术的研究起步较晚。迄今为止,国内RFID专利很少,70%以上是国外公司注册的,国内企业和高校的申请的专利质量也不高。在自主知识产权的专利中,又以应用专利方面的技术为主,技术类型的发明专利很少。20世纪90年代,国内一些公司先后引进国外的RFID技术,研发自己的RFID系统。由兰州远望公司与哈尔滨铁路科学研究所共同研制的自动车号识别系统已于2000年开始正式投入应用。但国内一半的RFID企业是国外射频产品代理商,并不具备核心的RFID技术。有一部分国内企业拥有自主的RFID品牌,核心部件采用国外的OEM模块,属于组装产品。继而国内的射频识别产品和材料价格被迫提高,价格相对昂贵,并且相比于国外的射频产品性能尚有不小差距[9]。经过几十年的发展,RFID技术在国内发展日益成熟。2014年,重庆市的科学研究院利用双芯射频标签集成技术,该射频模块具有费用和人流量统计的双重核心功能,可以自动接收公交车及车站内的人流信息;山西省的高速公路管理局,发布公告会在6个月内,再建设近百个收费站和两百多条条ETC行车道。同时还会在武宿的机场停车场推广ETC技术,几十个服务区内推广ETC卡能够消费;多家银行开启云闪付时代,让你的支付方式更有范,更潮流;在强调自主知识产权的同时,更应偏向技术类型的发明专利,促进射频识别技术能够直接投入实用建设。国际知名咨询企业给出了一份研究报告,RFID技术的创新发展能够得到高额回报,不完全统计,2015年的射频技术的市场容量近千亿美元规模,相比当前的手机市场规模也相差无几。除此之外,研究报告中有关于UHFRFID应用领域的份额分析,近5年里RFID市场每年接近10%的扩张。国内外对比,仍有不小差距,国内的研究重点应放在反射调制式的射频识别天线方面,而不是一直把重点放在电感耦合型射频天线方面。国内RFID技术发展仍处于初期阶段,对于知识产权比较淡漠,国内企业应该对射频识别技术专利引起重视,而不是一味地采取复制模式,要取其精华,结合创新,打出自己的品牌和发明专利[10]。UHFRFID技术UHFRFID关键技术涉及射频识别系统,RFID技术标准和规范及标签的封装技术等。过去的RFID系统没有开放的通用标准,不同RFID供应商产品之间很少存在兼容性,从而限制了在全局供应链上对RFID技术进行优化配置。射频识别系统基本结构如图1.1所示。一般包括标签、读写器、应用系统三个部分。读写器通过射频信号给标签提供能量并询问标签,标签被激活后所存储信息会发送给读写器,然后再通过读写器将收到的信息传递给应用系统进行数据分析处理[11]。标签分为标签天线和标签芯片两部分。标签天线通过读写器发来的射频信号从而达到给芯片供电的目的,当标签芯片能量满足指标就能正常工作,并根据读写器的询问指令完成相应的动作。实际应用中每个标签具有唯一的电子编码,用于标识不同的物体。标签内部写入了目标物体的数据信息,占1kbits。标签通常按装在相关物体表面,以便读写器读取。在射频识别系统中,标签与物体一一对应,标签既可以被识别,也可以写入目标物体的数据信息、锁定信息或擦除信息[4]。图1.1RFID系统基本结构关于RFID标准的制定,其标准涉及物理属性、读写协议、两个规范以及应用管理等等。相比于国内,国外发达国家都在积极制定相关标准,主要有美国的EPCGlobal、IEC18000和日本的泛在中心三个主流标准。三个标准的不同点在于通信模式、数据格式和防碰撞协议的差异性,而技术层面上的差别不大。2006年,国内加速推进射频识别技术发展,推出了《射频技术政策白皮书》。我国的RFID技术正处于高速发展的新阶段,其中ISO18000系列的RFID标准得到进一步重视,参与标准制定的企业涉及各个行业,达到几千家,包括国内的一些大企业。除此之外,国外的一些全球性公司也都参与到我国RFID标准的制定[12]。2007年,我国发布频段划分的标准,有840MHz到845MHz,920MHz到925MHz是RFID的两个频段。经济、技术全球合作的背景下,RFID标准不可能相互对抗,必将走向合作融合[13]。关于RFID芯片的封装技术方面,125KHz和13.56MHz是当时很普遍的两类应用型芯片,可以用较低的价格买到性能很好的产品。当下,国内超高频频段的标签芯片也逐渐发展起来,但是相比于国外,仍有很大差距。目前大多标签芯片都是依赖于进口,标签芯片的设计制造,主要是将进口的半成品包装加工,这极大的限制了国内射频技术发展进程。标签的封装主要是针对标签天线和芯片这两个部分的集成。电子标签工作频率越高,芯片小而薄,采用键合封装分为两个模块完成成为标签封装的主流[14]。目前的主流封装技术还有将芯片特殊处理,通过液体流动完成芯片自助装配;并且通过多个流程并行操作,优化速度和成本,进一步推动射频识别技术的发展。UHFRFID天线简介超高频RFID系统中,天线主要有读写器天线和标签天线两类。在低频和高读写器主机计算机网络应用系统读写器天线能量+指令标签存储信息标签芯片标签天线标签频段内,天线在近场区无电磁波,射频识别天线的原理在不同的频段内是不同的。针对射频识别天线的设计主要还是关注超高频与微波频段。国内标签尺寸过大,集成在标签盒里,天线性能稳定,加工水准较高,但是缺点是价格较高[15]。国外主要将标签天线镶嵌到标签芯片上,微芯片的片载天线通过接收无线信号识别并解调,因而无需再添加外部器件就能自主工作。读写器相对于标签是处于移动状态的,国内外射频识别系统的识别效率、一致性都需要进一步提高。根据RFID系统使用的频率,RFID标签分为低频标签、高频标签和超高频标签。低频RFID系统主要频率为125KHz或134KHz,近距离小于10厘米的RFID应用,主要应用在图书馆管理和食堂饭卡等;高频RFID系统主要频率为13.56MHz,识别距离十厘米~一米,主要应用于电子付费、门禁控制和电子车票等领域;UHFRFID系统主要频率为915MHz,采用的工作方式为电磁波传播耦合。读写器天线为标签提供能量,标签天线接收射频能量并将存储的电子信息通过反向散射调制方式发送给读写器。对于标签而言,要求尺寸小,成本低,虽然标签很小,就个体而言,“分量”很轻,但是由于标签的需求数量巨大,其性能和成本是整个系统的关键。发展到今天,社会生活中有很多成功的应用实例,但在大规模大范围的投入运用时,仍然有或多或少的问题存在。根据实际应用状况,已经从事分析与读写器应用相关的智能化天线阵列,系统根据特定的条件自动调整天线,各天线覆盖的范围产生相应变化,从而增加系统的覆盖度[16]。天线工作频
本文标题:2016年UHF-RFID起源和发展分析研究
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