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射频识别系统的工作模式介绍及其重要部分

2019年02月27日

  射频识别技术是一种非接触的主动识别技术。它是由电子标签(Tag/Transponder)、读写器(Reader/Interrogator)及中心件(Middle-Ware)~部分组成的一种短距离无线通讯体系。射频识别中的标签是射频识别标签芯片和标签天线的结合体。标签根据其工作模式不同而分为自动标签和被动标签。自动标签自身携带电池为其提供读写器通讯所需的能量:被动标签则采用感应耦合或反向散射工作模式,即通过标签天线从读写器中发出的电磁场或者电磁波获得能量激活芯片,并调节射频识别标签芯片与标签天线的匹配程度,将储存在标签芯片中的信息反馈给读写器。因此。射频识别标签天线的阻抗必须与标签芯片的输入阻抗共轭匹配,以使得标签芯片能够最大限度地获得射频识别读写器所发出的电磁能量。此外,标签天线设计时还必须考虑电子标签所应用的场合,如应用在金属物体外观的标签天线和应用在通俗物体外观的标签天线在天线的结构和选材上存有很大的差别。适合于多种芯片、低成本、多用途的标签天线是射频识别在我国得到广泛普及的关键技术之一。

射频识别体系的工作模式介绍及其紧张部分

  射频识别体系与天线分类

  对于采用被动式标签的射频识别体系而言,根据工作频段的不同具有两种工作模式。一种是感应耦合(Induc.veCoupling)T作模式,这种模式也称为近场工作模式,它重要适用用于低频和高频RFID体系:另一种则是反向散射(Backscattering)32作模式,这种模式也称为远场T作模式,重要适用于超高频和微波RFID体系。

  感应耦合模式重要是指读写器天线和标签天线都采用线圈情势。当读写器在阅读标签时,发出未经调制的旌旗灯号。处于读写器天线近场的电子标签天线接收到该旌旗灯号并激活标签芯片之后,由标签芯片根据内部存储的全球唯一的识别号(ID)控制标签天线中的电流大小。这个电流的大小进一步加强或者减小阅读器天线发出的磁场。这时,读写器的近场分量显现出被调制的特征,读写器内部电路检钡0到这个因为标签而产生的调制量并解调并得到标签信息。

  在反向散射T作模式中,读写器和电子标签之间采用电磁波来进行信息的传输。当读写器对标签进行阅读识别时,首先发出未经调制的电磁波,此时位于远场的电子标签天线接收到电磁波旌旗灯号并在天线上产生感应电压,电子标签内部电路将这个感应电压进行整流并放大用于激活标签芯片。当标签芯片激活之后,用自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行转变,当电子标签芯片的阻抗和标签芯片之间的阻抗匹配较好时则基本不反射旌旗灯号,而阻抗匹配不好时则将几乎悉数反射旌旗灯号。如许反射旌旗灯号就出现了振幅的转变,这种情况类似于对反射旌旗灯号进行幅度调制处理。读写器通过接收到经过调制的反射旌旗灯号判断该电子标签的标识号并进行识别。这类天线重要包括微带天线、平面偶极子天线和环形天线。图二是我们研制的能工作于多种识别环境下的UHF电子标签天线。

  电子标签天线的设计与测试

  如前所述,作于低频与高频的射频识别体系采用感应耦合模式进行通讯,所以T作于这两个频段的读写器与电子标签都采用线圈情势的天线。T作在这两个频段的射频识别体系都受制于近场作用的范围,从而导致其识别距离较短。根据目前的情况来看,采用近场通讯的射频识别体系最大的识别距离小于1米。

  因为低频和高一再段的射频识别体系采用的是电磁场耦合模式,所以体系中的天线都采用线圈情势。采用这种情势的重要缘故原由如下:

  1.电磁场的耦合在线圈之间比较紧密:

  2.天线采用线圈的情势进一步减小了天线的体积进而减小了标签的体积:

  3.标签芯片的特征要求标签天线具有肯定的电抗。

  在超高频和微波波段时,电子标签和读写器之间的通讯采用反向散射工作体例。这时候,连接电子标签和读写器之间的桥梁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中。根据频带的波长和天线的口径可以计算出该频带内射频识别体系的远场和读写器之间的距离。一样平常来说,被动性标签在超高频范围内的丁作距离可达10米左有,根据现有资料来看。工作于微波波段(重要指2.45GHz)的被动标签工作距离仅为1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射频识别体系重要使用位于860~960MHz的超高一再段。

  在由被动型标签天线组成的射频识别体系中,标签必要从渎写器产生的电磁场或者电磁波中获取能量激活标签芯片。所以在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感应电压,并通过二极管电路进行整流并经过其他电路进行电压放大等等。这些电路被集成存标签芯片内部。当芯片进行封装时通常还会引入一部分分布式电容。但是,天线设计自己并不必要知道芯片中的详细电路而只必要掌握芯片和经过封装之后的芯片阻抗,并行使最大能量传递的法则设计天线的输入阻抗。

  因为电子标签芯片的输出阻抗具有电抗分量,为了达到能量的最大传递,必要将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。一样平常而言,电子标签芯片的输入阻抗为Z=R_X情势。为了获得共轭情势的阻抗,电子标签天线的阻抗应为Z=R+iX情势。

  如前文所述,工作在低频与高频的射频识别体系中的被动标签天线采用了线圈情势,这种线圈情势即可引入感抗用于抵消等效电路中的容抗从而实现标签芯片和天线之间的最大能量传递。

  而对于T作于超高频和微波频段的标签天线而言,为了引入感抗以抵消芯片的容抗,必要在天线设计中加入环形结构进行感性馈电,或者加入T型配『31等结构。另外,为了在规定的等效全向辐射功率(EIRP)下获得更远的阅读距离除了要求电子标签天线也具有高增益。还要求电子标签天线和标签芯片之间能够有充足的匹配。

  在标签天线进行设计和仿真并获得理想效果之后,必要将天线加工并进行测试以验证设计和仿真的精确性。也正凶为前文中所介绍的标签天线具有复数阻抗的特征,其测试方法和具有实数阻抗天线的测试方法有所区别。另外,在统一个标签天线的测试过程巾,根据所需数据的不同其测试方法也有所不同通常测试天线的过程中并不必要专门测试天线的输入阻抗。但标签天线的阻抗为负数阻抗,且其虚部与实部之比较大(通常X/R》10),如许的阻抗曲线在smith 圆图中靠近短路圆不易通过smith网图观察天线的阻抗带宽。为了获得标签天线的输入阻抗。可以将测试设备的输出端口直接与天线的输入端口相连因为这种体例并未考虑标签天线自己具有复数阻抗这一特征。天线和测试设备之间并没有取得共轭匹配,此时只能得到天线的阻抗参数,诸如散射矩阵参数和驻波比等常用来衡量天线的电路参数不能直接获得。

  为了获得是散射参数和驻波比等电路参数,以便对天线的阻抗带宽特征进行评价,可将实测的阻抗参数带入相干公式进行计算或者采用阻抗匹配的方法在测试设备和天线之间加入匹配电路。匹配电路可用两种方法构成,一是采用工作频率较高的分立元件构成,二是采用微波电路构成。必要细致的是配电路应该距离天线端口充足近。如许才能获得较大的带宽并避免天线和配电路之间的连接线路带来的负面影响。

  电路用于标签天线的测试。不过采用匹配电路具有一些瑕玷:

  l.不论使用分立元件照旧使用微波电路来构成阻抗配电路,其带宽总是受限的,当天线真实带宽大于配电路的带宽时,所测试到的带宽将不再正确;

  2.南于配电路总是存在损耗,所以测试得到的带宽和回波损耗值等参数和真实的天线参数有一些差别;

  3.引入的配电路总是和天线之间存在距离,从而使得测试现肯定偏差。

  采上述使用匹配电路进行测试的方案除了可以获得肯定精度的带宽和同波损耗等参数之外,对于测试天线的方向图和增益等辐射特征也是必须的。只有通过阻抗配电路才能将天线接收到的绝大部分能量基本无反射地传递到测试体系中,从而测试响应的辐射参数。

  结语

  随着射频识别技术的应用赓续扩大,越来越多的场合要求使用射频识别体系。电子标签天线作为射频识别体系中不可或缺的紧张一环,其设计、生产、测试等均是将来研究的重要内容之一因为电磁波的固有特征,在诸如临近金属、液体等环境中,射频识别体系的性能将大打扣头。在如许的环境中除了进步读写器的性能之外,电子标签天线的性能的进步更为紧张。目前我们正在针对电子标签天线在这些复杂环境中的应用睁开研究。另外,柔性电子标签贴附在非平坦外观时性能也会有所恶化。如何避免柔性标签应用到非平坦外观带来的影响也是目前我们另一个研究重点。

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