RFID基础知识二.docx
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RFID基础知识二
RFID基础知识二
频段分布
RFID工作频率的选择，要顾及其他无线电服务，不能对其他服务造成干扰和影响，因而RFID系统通常只能使用特别为工业、科学和医疗应用而保留的ISM频率。
ISM频段的主要频率范围如下。
1．频率6.78MHz
这个频率范围为6.765～6.795MHz，属于短波频率，这个频率范围在国际上已由国际电信联盟指派作为ISM频段使用，并将越来越多地被RFID系统使用。
这个频段起初是为短波通信设置的，根据这个频段电磁波的传播特性，短波通信白天只能达到很小的作用距离，最多几百公里，夜间可以横贯大陆传播。
这个频率范围的使用者是不同类别的无线电服务，如无线电广播服务、无线电气象服务和无线电航空服务等。
2．频率13.56MHz
这个频率范围为13.553～13.567MHz，处于短波频段，也是ISM频段。
在这个频率范围内，除了电感耦合RFID系统外，还有其他的ISM应用，如遥控系统、远距离控制模型系统、演示无线电系统和传呼机等。
这个频段起初也是为短波通信设置的，根据这个频段电磁波的传播特性，无线信号允许昼夜横贯大陆联系。
这个频率范围的使用者是不同类别的无线电服务机构，例如新闻机构和电信机构等。
3．频率27.125MHz
这个频率范围为26.957～27.283MHz，除了电感耦合RFID系统外，这个频率范围的ISM应用还有医疗用电热治疗仪、工业用高频焊接装置和传呼机等。
在安装工业用27MHz的RFID系统时，要特别注意附近可能存在的任何高频焊接装置，高频焊接装置产生很高的场强，将严重干扰工作在同一频率的RFID系统。
另外，在规划医院27MHz的RFID系统时，应特别注意可能存在的电热治疗仪干扰。
4．频率40.680MHz
这个频率范围为40.660～40.700MHz，处于VHF频带的低端，在这个频率范围内，ISM的主要应用是遥测和遥控。
在这个频率范围内，电感耦合射频识别的作用距离较小，而这个频率7.5m的波长也不适合构建较小的和价格便宜的反向散射电子标签，因此该频段目前没有射频识别系统工作，属于对射频识别系统不太适用的频带。
5．频率433.920MHz
这个频率范围为430.050～434.790MHz，在世界范围内分配给业余无线电服务使用，该频段大致位于业余无线电频带的中间，目前已经被各种ISM应用占用。
这个频率范围属于UHF频段，电磁波遇到建筑物或其他障碍物时，将出现明显的衰减和反射。
该频段可用于反向散射RFID系统，除此之外，还可用于小型电话机、遥测发射器、无线耳机、近距离小功率无线对讲机、汽车无线中央闭锁装置等。
但是，在这个频带中，由于应用众多，ISM的相互干扰比较大。
6．频率869.0MHz
这个频率范围为868～870MHz，处于UHF频段。
自1997年以来，该频段在欧洲允许短距离设备使用，因而也可以作为RFID频率使用。
一些远东国家也在考虑对短距离设备允许使用这个频率范围。
7．频率915.0MHz
在美国和澳大利亚，频率范围888～889MHz和902～928MHz已可使用，并被反向散射RFID系统使用。
这个频率范围在欧洲还没有提供ISM应用。
与此邻近的频率范围被按CT1和CT2标准生产的无绳电话占用。
8．频率2.45GHz
这个ISM频率的范围为2.400～2.4835GHz，属于微波波段，也处于UHF频段，与业余无线电爱好者和无线电定位服务使用的频率范围部分重叠。
该频段电磁波是准光线传播，建筑物和障碍物都是很好的反射面，电磁波在传输过程中衰减很大。
这个频率范围适合反向散射RFID系统，除此之外，该频段典型ISM应用还有蓝牙和802.11协议无线网络等。
9．频率5.8GHz
这个ISM频率的范围为5.725～5.875GHz，属于微波波段，与业余无线电爱好者和无线电定位服务使用的频率范围部分重叠。
这个频率范围内的典型ISM应用是反向散射RFID系统，可以用于高速公路RFID系统，还可用于大门启闭（在商店或百货公司）系统。
10．频率24.125GHz
这个ISM频率的范围为24.00～24.25GHz，属于微波波段，与业余无线电爱好者、无线电定位服务以及地球资源卫星服务使用的频率范围部分重叠。
在这个频率范围内，目前尚没有射频识别系统工作，此波段主要用于移动信号传感器，也用于传输数据的无线电定向系统。
11．其他频率的应用
135kHz以下的频率范围没有作为工业、科学和医疗（ISM）频率保留，这个频段被各种无线电服务大量使用。
除了ISM频率外，135kHz以下的整个频率范围RFID也是可用的，因为这个频段可以用较大的磁场强度工作，特别适用于电感耦合的RFID系统。
根据这个频段电磁波的传播特性，占用这个频率范围的无线电服务可以达到半径1000km公里以上。
在这个频率范围内，典型的无线电服务是航空导航无线电服务、航海导航无线电服务、定时信号服务、频率标准服务以及军事无线电服务。
一个用这种频率工作的射频识别系统，将使读写器周围几百米内的无线电钟失效，为了防止这类冲突，未来可能在70～119kHz之间规定一个保护区，不允许RFID系统占用。
4.1.4 RFID使用的频段
（1）
射频识别RFID产生并辐射电磁波，但是RFID系统要顾及其他无线电服务，不能对其他无线电服务造成干扰，因此RFID系统通常使用为工业、科学和医疗特别保留的ISM频段。
ISM频段为6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz、2.45GMHz、5.8GHz以及24.125GHz等，RFID常采用上述某些ISM频段，除此之外，RFID也采用0～135kHz之间的频率。
RFID系统在读写器和电子标签之间通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。
读写器和电子标签之间射频信号的传输主要有两种方式，一种是电感耦合方式，一种是电磁反向散射方式，这两种方式采用的频率不同，工作原理也不同。
1．RFID电感耦合方式使用的频率
电感耦合方式的RFID系统，电子标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器天线的近场中获得。
电子标签与读写器之间传送数据时，电子标签需要位于读写器附近，通信和能量传输由读写器和电子标签谐振电路的电感耦合来实现。
在这种方式中，读写器和电子标签的天线是线圈，读写器的线圈在它周围产生磁场，当电子标签通过时，电子标签线圈上会产生感应电压，整流后可为电子标签上的微型芯片供电，使电子标签开始工作。
RFID电感耦合方式中，读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合如图4.1所示。
计算表明，在与线圈天线的距离增大时，磁场强度的下降起初为60dB/10倍频程，当过渡到距离天线/2之后，磁场强度的下降为20dB/10倍频程。
另外，工作频率越低，工作波长越长，例如，6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz的工作波长分别为44m、22m和11m。
可以看出，在读写器的工作范围内（例如0-10cm），使用频率较低的工作频率有利于读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合。
现在电感耦合方式的RFID系统，一般采用低频和高频频率，典型的频率为125kHz、135kHz、6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz。
（1）小于135kHz的RFID系统。
该频段电子标签工作在低频，最常用的工作频率为125kHz。
该频段RFID系统的工作特性和应用如下。
工作频率不受无线电频率管制约束。
阅读距离一般情况下小于1m。
有较高的电感耦合功率可供电子标签使用。
无线信号可以穿透水、有机组织和木材等。
典型应用为动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗等。
与低频电子标签相关的国际标准有用于动物识别的ISO11784/11785和空中接口协议ISO18000-2（125～135kHz）等。
非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用。
（2）6.78MHz的RFID系统。
该频段电子标签工作在高频，RFID系统的工作特性和应用如下。
与13.56MHz相比，电子标签可供使用的功率大一些。
与13.56MHz相比，时钟频率降低一半。
有一些国家没有使用该频段。
（3）13.56MHz的RFID系统。
该频段电子标签工作在高频，RFID系统的工作特性和应用如下。
这是最典型的RFID高频工作频率。
该频段的电子标签是实际应用中使用量最大的电子标签之一。
该频段在世界范围内用作ISM频段使用。
我国第二代身份证采用该频段。
数据传输快，典型值为106kbit/s。
高时钟频率，可实现密码功能或使用微处理器。
典型应用包括电子车票、电子身份证、电子遥控门锁控制器等。
相关的国际标准有ISO14443、ISO15693和ISO18000-3等。
电子标签一般制成标准卡片形状。
（4）27.125MHz的RFID系统。
不是世界范围的ISM频段。
数据传输较快，典型值为424kbit/s。
高时钟频率，可实现密码功能或使用微处理器。
与13.56MHz相比，电子标签可供使用的功率小一些。
2．RFID电磁反向散射方式使用的频率
电磁反向散射的RFID系统，采用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标的信息。
该方式一般适合于微波频段，典型的工作频率有433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz，属于远距离RFID系统。
微波电子标签分为有源标签与无源标签两类，电子标签工作时位于读写器的远区，电子标签接收读写器天线的辐射场，读写器天线的辐射场为无源电子标签提供射频能量，将有源电子标签唤醒。
该方式RFID系统的阅读距离一般大于1m，典型情况为4～7m，最大可达10m以上。
读写器天线一般为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签可以被读写。
该方式读写器天线和电子标签天线的电磁辐射如图4.2所示。
（1）800/900MHz的RFID系统。
该频段是实现物联网的主要频段。
860～960MHz是EPCGen2标准描述的第二代EPC标签与读写器之间的通信频率。
EPCGen2标准是EPCGlobal最主要的RFID标准，Gen2标签能够工作在860～960MHz频段，世界不同地区分配了不同电磁频谱用于UHFRFID，Gen2标准的读写器能适用不同区域的要求。
我国根据频率使用的实际状况及相关的试验结果，结合我国相关部门的意见，并经过频率规划专家咨询委员会的审议，规划840～845MHz及920～925MHz频段用于RFID技术。
以目前技术水平来说，无源微波标签比较成功的产品相对集中在800/900MHz频段，特别是902～928MHz工作频段上。
800/900MHz的设备造价较低。
（2）2.45GHz的RFID系统。
该频段是实现物联网的主要频段。
日本泛在识别UID（UbiquitousID）标准体系是射频识别三大标准体系之一，UID使用2.45GHz的RFID系统。
（3）5.8GHz的RFID系统。
该频段的使用比800/900MHz及2.45GHz频段少。
国内外在道路交通方面使用的典型频率为5.8GHz。
5.8GHz多为有源电子标签。
5.8GHz比800/900MHz的方向性更强。
5.8GHz的数据传输速度比800/900MHz更快。
5.8GHz相关设备的造价较800/900MHz更高。
4.4 低频和高频RFID电磁场的特性
低频和高频RFID系统基本上都采用电感耦合识别方式，电感耦合方式的电子标签几乎都是无源的，这意味着电子标签工作的全部能量都要由读写器获得。
由于低频和高频RFID的波长较长，电子标签基本都处于读写器天线的近区，电子标签通过感应而不是通过辐射获得信号和能量，因此电子标签与读写器的距离很近，这样电子标签可以获得较大的能量。
低频和高频RFID电子标签与读写器的天线基本上都是线圈的形式，两个线圈之间的作用可以理解为变压器的耦合，两个线圈之间的耦合功率传输效率与工作频率、线圈匝数、线圈面积、线圈间的距离和线圈的相对角度等多种因素相关。
低频和高频RFID系统起步较早，已经有几十年的应用历史。
现在低频和高频RFID系统比较成熟，国内技术与国际技术没有太大差别，国内第二代身份证、城市一卡通和门禁卡等都采用这些频段，是目前应用范围较广的RFID频段。
3．RFID电磁波的传播机制
当有障碍物（包括地面）时，电磁波存在直射、反射、绕射和散射等多种情况，这几种情况是在不同传播环境下产生的。
（1）直射、反射、绕射和散射。
直射：
是指电磁波在自由空间传播，没有任何障碍物。
反射：
是由障碍物产生的，当障碍物的几何尺寸远大于波长时，电磁波不能绕过该物体，在该物体表面发生反射。
当反射发生时，一部分能量被反射回来，另一部分能量透射到障碍物内，反射系数与障碍物的电特性和物理结构有关。
绕射：
也是由障碍物产生的，电波绕过传播路径上障碍物的现象称为绕射。
当障碍物的尺寸与波长相近，且障碍物有光滑边缘时，电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。
电磁波的绕射能力与电波相对于障碍物的尺寸相关，波长越大于障碍物尺寸，绕射能力越强。
散射：
也与障碍物相关，当障碍物的尺寸或障碍物的起伏小于波长，电波传播的过程中遇到数量较大的障碍物时，电磁波发生散射。
散射经常发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体的表面。
（2）RFID电磁波的传播。
总的来说，微波RFID希望收发天线之间没有障碍物，提供电磁波直射的环境。
微波RFID的频率主要包括433MHz、800/900MHz、2.45GHz或5.8GHz，其中433MHz和800/900MHz频段电波的绕射能力较强，障碍物对电波传播的影响较小；2.45GHz和5.8GHz电磁波的波长较短，收发天线直线之间最好没有障碍物。
当频率达到GHz时，不仅障碍物对电波传播有影响，云雨雾也对电波传播有影响，而且频率越高、波长越短时，云雨雾的影响越大。
4．衰减与衰落
读写器和电子标签所处的环境比较复杂，电波在空间传播时会发生衰减和衰落。
衰减和衰落是不同的概念，衰减指发射天线的信号到达接收天线时信号的振幅减小，衰落指接收点的信号随时间随机的起伏。
（1）衰减。
电波由发射天线到接收天线的过程中，产生衰减的因素很多，主要包括自由空间的传输损耗、障碍物的分隔和阻挡等。
自由空间的传输损耗
自由空间的传输损耗与工作频率、读写器与电子标签的距离有关。
当工作频率分别为900MHz、2.4GHz和5.8GHz，读写器与电子标签的距离为1m～10m时，自由空间的传输损耗如表4.3所示。
表4.3 自由空间的传输损耗
读写器与
电子标签的距离
衰减（900MHz）
衰减（2.4GHz）
衰减（5.8GHz）
1m
31.5dB
40.0dB
47.7dB
2m
37.6dB
46.1dB
53.7dB
3m
41.1dB
49.6dB
57.3dB
4m
43.6dB
52.1dB
59.8dB
续表
读写器与
电子标签的距离
衰减（900MHz）
衰减（2.4GHz）
衰减（5.8GHz）
5m
45.5dB
54.0dB
61.7dB
6m
47.1dB
55.6dB
63.3dB
7m
48.4dB
57.0dB
64.6dB
8m
49.6dB
58.1dB
65.8dB
9m
50.6dB
59.1dB
66.8dB
10m
51.5dB
60.1dB
67.7dB
障碍物分隔和阻挡的损耗
障碍物的分隔和阻挡也能造成信号衰减，表4.4给出了室内环境下不同频率、不同障碍物造成的平均信号衰减。
表4.4 室内障碍物分隔和阻挡造成的信号衰减
材料类型
工作频率
信号衰减
参考
各种金属
815MHz
26dB
【Cox83b】
铝框
815MHz
20.4dB
【Cox83b】
混凝土墙
1 300MHz
8-15dB
【Rap91c】
混凝土地板
1 300MHz
10dB
【Rap91c】
混凝土墙
815MHz
3.9dB
【Cox83b】
金属楼梯
1 300MHz
5dB
【Rap91c】
轻质织物
1 300MHz
3-5dB
【Rap91c】
一层楼的损耗
1 300MHz
20-30dB
【Rap91c】
2．有耗媒质中RFID电波衰减
在RFID环境中，有时会存在有耗媒质，使电波出现衰减。
媒质的电导率越大，RFID的工作频率越高，电波衰减越大。
当电波传播遇到潮湿媒质时，如潮湿木材时，电波将出现损耗。
当电波传播遇到水时，如水产品时，电波将出现损耗。
当电波传播遇到有机物质时，如各种动物时，电波将出现损耗。
当电波传播遇到金属时，如铜、铝、铁时，电波将出现非常大的损耗。
第6章 RFID中的天线技术
天线技术对RFID系统十分重要，是决定RFID系统性能的关键部件。
RFID天线可以分为低频、高频、超高频及微波天线，每一频段天线又分为电子标签天线和读写器天线，不同频段天线的结构、工作原理、设计方法和应用方式有很大差异，导致RFID天线种类繁多、应用各异。
在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线。
微波RFID天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等，同时微波RFID的电子标签较小，天线要求低造价、小型化，因此微波RFID出现了许多天线制作的新技术。
为适应世界范围电子标签的快速应用和不断发展，需要提高RFID天线的设计效率，降低RFID天线的制造成本，因此RFID天线大量使用仿真软件进行设计，并采用了多种制作工艺。
天线仿真软件功能强大，已经成为天线技术的一个重要手段，天线仿真和测试相结合，可以基本满足RFID天线设计的需要。
RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，天线制作的新工艺可使RFID天线制作成本大大降低，走出应用成本瓶颈，并促进RFID技术进一步发展。
6.1 RFID天线的应用及设计现状
RFID在不同的应用环境中使用不同的工作频段，因此需要采用不同的天线通信技术，来实现数据的无线交换。
按照现在RFID系统的工作频段，天线可以分为低频LF、高频HF、超高频UHF及微波天线，不同频段天线的工作原理不同，使得不同天线的设计方法也有本质的不同。
在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按方向性可分为全向天线和定向天线等；按外形可分为线状天线和面状天线等；按结构和形式可分为环形天线、偶极天线、双偶极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。
在低频和高频频段，RFID系统主要采用环形天线，用以完成能量和数据的电感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波频段，RFID系统可以采用的天线形式多样，用以完成不同任务。
6.1.1 RFID天线的应用现状
影响RFID天线应用性能的参数主要有天线类型、尺寸结构、材料特性、成本价格、工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、波瓣宽度、阻抗问题和环境影响等，RFID天线的应用需要对上述参数加以权衡。
1．RFID天线应用的一般要求
（1）电子标签天线。
一般来讲，RFID电子标签天线需要满足如下条件。
RFID天线必须足够小，以至于能够附着到需要的物品上。
RFID天线必须与电子标签有机地结合成一体，或贴在表面，或嵌入到物体内部。
RFID天线的读取距离依赖天线的方向性，一些应用需要标签具备特定的方向性，例如有全向或半球覆盖的方向性，以满足零售商品跟踪等的需要。
RFID天线提供最大可能的信号给多种标签的芯片。
无论物品在什么方向，RFID天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配。
RFID天线具有应用的灵活性。
电子标签可能被用在高速的传输带上，此时有多普勒频移，天线的频率和带宽要不影响RFID工作。
电子标签在读写器读取区域的时间很少，要求有很高的读取速率，所以RFID系统必须保证标签识别的快速无误。
RFID天线具有应用的可靠性。
RFID标签必须可靠，并保证因温度、湿度、压力和在标签插入、印刷和层压处理中的存活率。
RFID天线的频率和频带。
频率和频带要满足技术标准，标签期望的工作频率带宽依赖于标签使用地的规定。
RFID天线具有鲁棒性。
RFID天线非常便宜。
RFID标签天线必须是低成本，这约束了天线结构和根据结构使用的材料。
标签天线多采用铜、铝或银油墨。
（2）读写器天线。
读写器天线即可以与读写器集成在一起，也可以采用分离式。
对于远距离系统，天线和读写器采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。
读写器天线设计要求低剖面、小型化。
读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展。
读写器天线设计要求多频段覆盖。
对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。
目前国际上已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵。
2．RFID天线的极化
不同的RFID系统采用的天线极化方式不同。
有些应用可以采用线极化，例如在流水线上，这时电子标签的位置基本上是固定不变的，电子标签的天线可以采用线极化方式。
但在大多数场合，由于电子标签的方位是不可知的，所以大部分RFID系统采用圆极化天线，以使RFID系统对电子标签的方位敏感性降低。
3．RFID天线的方向性
RFID系统的工作距离，主要与读写器给电子标签的供电有关。
随着低功耗电子标签芯片技术的发展，电子标签的工作电压不断降低，所需功耗很小，这使得进一步增大系统工作距离的潜能转移到天线上，这就要求有方向性较强的天线。
如果天线波瓣宽度越窄，天线的方向性越好，天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。
4．RFID天线的阻抗问题
为了以最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。
几十年来，天线设计多采用50或75的阻抗匹配，但是可能还有其他情况。
例如，一个缝隙天线可以设计几百欧姆的阻抗；一个折叠偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的几倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个40～100的阻抗范围。
5．RFID的环境影响
电子标签天线的特性，受所标识物体的形状和电参数影响。
例如，金属对电磁波有衰减作用，金属表面对电磁波有反射作用，弹性衬底会造成天线变形等，这些影响在天线设计与应用中必须加以解决。
以在金属物体表面使用天线为例，目前有价值的解决方案有两个，一个是从天线的形式出发，采用微带贴片天线或倒F天线等，另一个是采用双层介质、介质覆盖或电磁带隙等
6.1.2 RFID天线的设计现状
在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线的设计要求和面临的技术问题是不同的。
1．RFID电子标签天线的设计
电子标签天线的设计目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细设计天线和自由空间的匹配，以及天线与标签芯片的匹配。
当工作频率增加到微波波段，天线与电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。
一直以来，电子标签天线的开发是基于50或者75输入阻抗，而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。
电子标签天线的设计还面临许多其他难题，如相应的小尺寸要求，低成本要求，所标识物体的形状及物理特性要求，电子标签到贴标签物体的距离要求，贴标签物体的介电常数要求，金属表面的反射要求，局部结构对辐射模式的影响要求等，这些都将影响电
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