《无线射频识别技术与应用》课件第2章.ppt

1、第2章 RFID系统的基本原理 2.1 RFID的基本工作原理的基本工作原理2.2 RFID的耦合方式的耦合方式2.3 天线天线2.4 谐振回路谐振回路2.5 电磁波的传播电磁波的传播2.1 RFID的基本工作原理的基本工作原理电子标签与读卡器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。发生在读卡器和高频电子标签之间的射频信号的耦合主要采用电感耦合，见图2-1。图2-1是根据变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。图2-1 电感耦合的工作原理电感耦合的原理是：两电感线圈在同一介质中，相互的电磁场通过该介质传导

2、到对方，形成耦合。最常见的电感耦合是变压器，即用一个波动的电流或电压在一个线圈(称为初级线圈)内产生磁场，在该磁场中的另外一组或几组线圈(称为次级线圈)上就会产生相应比例的磁场(与初级线圈和次级线圈的匝数有关)，它是电感耦合的经典杰作。电感耦合方式一般用于高、低频工作的近距离RFID系统中。该RFID系统典型的工作频率有125 kHz、225 kHz和13.56 MHz；识别作用距离小于1 m，典型的作用距离为10 cm20 cm。电子标签与读卡器之间的耦合通过天线完成。这里的天线通常可以理解为电磁波传播的天线，有时也指电感耦合的天线。如前所述，一套完整的RFID系统如图2-2所示，它是由读卡

3、器、电子标签(也就是所谓的应答器)及应用软件系统三个部分组成，其工作原理是读卡器发射一特定频率的电磁波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，读卡器依序接收并解读数据，送给应用程序做相应的处理。图2-2 RFID系统工作原理 RFID技术的工作原理并不复杂：首先，读卡器通过天线发送某种频率的RF(射频)信号，电子标签产生引导电流，当引导电流到达天线工作区的时候，电子标签被激活；之后，电子标签通过内部天线发送自己的代码信包；天线接收到由电子标签发射的载体信号后把信号发送给读卡器；读卡器对信号进行调整并进行译码，并将调整和译码后的信号发送给应用软件系统；然后，应用软件系统通过逻辑操作判断

4、信号的合法性，再根据不同的设置进行相应的操作。读卡器根据使用的结构和技术的不同可以是读装置或读/写装置，它是RFID系统信息的控制和处理中心。读卡器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。读卡器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，它通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。目前读卡器大多是由耦合元件(线圈、微带天线等)和微芯片组成无源单元。2.2 RFID的耦合方式的耦合方式2.2.1 电感耦合方式电感耦合方式RFID电感耦合方式也叫做近场工作方式，其电路结构图如图2-3所

5、示。电感耦合方式的射频频率fc为13.56 MHz和小于135 kHz的频段，电子标签与读卡器之间的工作距离一般在1 m以下，典型作用距离为10cm20 cm。RFID电感耦合方式的电子标签几乎都是无源的，其能量是从读卡器所发送的电磁波中获取的。由于读卡器产生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的限制，所以电感偶合方式的工作距离较近。在图2-3中，US是射频源，L1、C1构成谐振回路，RS是射频源的内阻，R1是电感线圈L1的损耗电阻。US 在L1上产生高频电流i，在谐振时电流i最大。高频电流i产生的磁场穿过线圈，并有部分磁力线穿过距读卡器电感线圈L1一定距离的电子标签电感线圈L2。由于电感耦合方

6、式所用工作频率范围内的波长比读卡器与电子标签之间的距离大得多，所以线圈L1、L2间的电磁场可以当做简单的交变磁场。图2-3 RFID电感耦合方式的电路结构图 穿过电感线圈L2的磁力线通过电磁感应，在L2上产生电压U2，将U2整流后就可以产生电子标签工作所需要的直流电压。电容C2的选择应使L2、C2构成对工作频率谐振的回路，以使电压U2达到最大值。由于电感耦合系统的效率不高，所以这种工作方式主要适用于小电流电路。电子标签功耗的大小对读写距离有很大的影响。一般地，读卡器向电子标签的数据传输可以采用多种数字调制方式，通常采用较为容易实现的幅移键控(ASK)调制方式；而电子标签向读卡器的数据传输采用负

7、载调制的方法，负载调制实质上是一种振幅调制，也称调幅(AM)。2.2.2 反向散射耦合方式反向散射耦合方式RFID反向散射耦合方式也叫做远场工作方式。RFID反向散射耦合采用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。由于目标的反射性能随着频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用超高频(UHF)和特高频(SHF)，电子标签和读卡器的距离大于1 m，典型工作距离为3 m10 m。RFID反射散射耦合方式的原理框图如图2-4所示。图2-4 RFID反射散射耦合方式的原理框图(1)电子标签的能量供给。无源标签的能量由读卡器提供，读卡器天线

8、发射的功率P1经自由空间传播后到达电子标签，设到达功率为，则中被吸收的功率经电子标签中的整流电路后形成电子标签的能量供给。(2)读卡器到电子标签的数据传输。读卡器到电子标签的命令及数据传输应根据RFID相关的标准来进行编码和调制。(3)电子标签到读卡器的数据传输。反射功率P2经自由空间传播到读卡器，被读卡器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输至读卡器的接收端，经接收电路处理后获得相关的有用信息。RFID电感耦合方式一般适用于中、低频工作的近距离射频识别系统中，而RFID反向散射耦合方式则一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统中。2.3 天天 线线2.3.1 天线的工作模式天线的工作模式

9、1近场天线工作模式近场天线工作模式感应耦合模式主要是指读卡器天线和电子标签天线都采用线圈形式。读卡器在阅读电子标签时，发出未经调制的信号，处于读卡器天线近场的电子标签天线接收到该信号并激活电子标签芯片，由电子标签芯片根据其内部存储的全球唯一的识别号(ID)来控制电子标签天线中电流的大小。这一电流的大小进一步增强或者减小读卡器天线发出的磁场。这时，读卡器的近场分量展现出被调制的特性，读卡器的内部电路检测到这个由于电子标签而产生的调制量解调并得到电子标签信息。当RFID的天线线圈进入读卡器产生的交变磁场中时，RFID天线与读卡器天线之间的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次

10、级线圈。由RFID的天线线圈形成的谐振回路包括RFID天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容Cr，其谐振频率为 12fL C其中C为Cp和Cr的并联等效电容。RFID应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通信的。常用的ID-1型非接触式IC卡的外观为一小型的塑料卡(85.72 mm54.03 mm0.76 mm)，天线线圈谐振工作频率通常为13.56 MHz。目前已研发出面积最小为0.4 mm0.4 mm天线线圈的短距离RFID应用系统。某些应用要求RFID天线线圈外形很小，且需一定的工作距离，如用于动物识别的RFID。但如果线圈外形即面积小，RFID与读卡器间的天线线圈互感M将不能满足实

11、际需要。作为补救措施通常在RFID天线线圈内插入具有高导磁率p的铁氧体，以增大互感，从而补偿因线圈横截面减小而产生的缺陷。2远场天线工作模式远场天线工作模式在反向散射工作模式中，读卡器和电子标签之间采用电磁波来进行信息的传输。当读卡器对电子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信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。电子标签芯片被激活后，将用自身的全球唯一的标识号对电子标签芯片阻抗进行变化。当电子标签天线和电子标签芯片之间的阻抗匹配较好时基本不反射信号，而阻抗匹配不好时则将几乎全部反射信号，这样反射

12、信号就出现了振幅的变化，这种情况类似于对反射信号进行幅度调制处理。读卡器通过接收到经过调制的反射信号判断该电子标签的标识号并进行识别。远场天线主要包括微带贴片天线、偶极子天线和环形天线。微带贴片天线是由贴在带有金属底板介质基片上的辐射贴片导体所构成的。根据天线辐射特性的需要，可把贴片导体设计为各种形状。通常，微带贴片天线的辐射导体与金属底板间的距离为几十分之一波长。假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化，仅沿约为半波长的导体长度方向变化，则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定。因此，微带贴片天线一般适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。在远

13、距离耦合的RFID应用系统中，最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线)。偶极子天线是由处于同一直线上的两段粗细和长度均相同的直导线构成，信号由位于其中心的两个端点馈入，使得在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发出电磁场。辐射场的电场可由下式求得：llllzzz rIEE d)coscos(sin60d(2-1)式中：Iz为沿振子臂分布的电流；为相位常数；r是振子中观察点的距离；为振子轴到r的夹角；z为振子臂的方向；l为单个振子臂的长度。同样，也可以得到天线的输入阻抗、输入回波损耗、带宽和天线增益等特性参数。当单个振子臂的长度l=/4时(半波振子)，输入阻抗的电抗分量为零，天

14、线输出为一个纯电阻。在忽略电流在天线横截面积内不均匀分布的条件下，简单的偶极子天线设计可以取振子的长度l为/4的整数倍，如工作频率为2.45 GHz的半波偶极子天线，其长度约为6 cm。2.3.2 天线的基本参数天线的基本参数1方向图方向图天线的方向图又称波瓣图，是天线辐射场的大小在空间的相对分布随方向变化的图形。天线的辐射场都具有方向性，方向性就是在相同的距离条件下天线辐射场的相对值与空间方向(子午角、方位角)的关系，常用式(2-2)的归一化函数表示：(,)F maxmax(,)(,)(,)(,)EfFfE (2-2)式中：为方向函数的最大值；为最大辐射方向上的电场强度；为同一距离方向上的电

15、场强度。max(,)f maxE(,)天线方向性系数的一般表达式为 202d d sin|),(|4FD(2-3)其中，D1，对于无方向性天线才有D=1。D越大，天线辐射的电磁能量就越集中，方向性就越强，它与天线增益密切有关。实际上，天线因为导体本身和其绝缘介质都要产生损耗，导致天线实际的辐射功率Pr小于发射机提供的输入功率Pin，因此定义天线的工作效率为 inrPP(2-4)2增益增益增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想辐射单元在空间同一点处所产生的信号功率密度之比，它定量地描述了天线把输入功率集中辐射的程度。增益G定义为方向性系数与效率的乘积：G=D (2-5)3天线的极化天线的

16、极化极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律，即在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。该图形如果是直线，就称为线极化；如果是圆，就称为圆极化。线极化又可以分成垂直极化和水平极化，圆极化可分成左旋圆极化和右旋圆极化。当电场矢量绕传播方向左旋变化时，称为左旋圆极化；当电场矢量绕传播方向右旋变化时，称为右旋圆极化。圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋向的。沿波的方向看去，当它的电场矢量矢端轨迹是椭圆时，则称该天线为椭圆极化波，其同样分左右旋，区别方法同圆极化波。如图2-5所示为天线的极化方式示意图。图2-5中，Ex、Ey、Ez是指电场矢量在x、y、

17、z轴上的投影，t是电场矢量的相位角。图2-5 天线的极化方式示意图(a)线极化；(b)圆极化或椭圆极化；(c)椭圆极化 4频带宽度频带宽度当天线的工作频率变化时，天线有关电参数变化的程度在所允许的范围内所对应的频率范围称为频带宽度(Bandwidth)，它有两种不同的定义：(1)在驻波比VSWR2的条件下，天线的工作频带宽度。(2)天线增益下降3 dB范围内的频带宽度。根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为fmax，最低工作频率为fmin，对于窄频带天线，一般采用相对带宽，即用|(fmax-fmin)/f0|100%来表示其频带宽度；而对

18、于超宽频带天线，常用绝对带宽，即用fmax/fmin来表示其频带宽度。2.3.3 天线的设计要求天线的设计要求1读卡器天线读卡器天线 对于近距离125 kHz的RFID应用，比如门禁系统，天线一般与读卡器集成在一起；对于远距离13.56 MHz或者超高频段的RFID系统，天线与读卡器采用分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。由于结构、安装和使用环境的多样性，以及小型化的要求，天线设计面临新的挑战。读卡器天线的设计要求低剖面、小型化以及频段覆盖。2应答器天线应答器天线天线的目标是传输最大的能量进入电子标签芯片，这需要仔细地设计天线与电子标签芯片的匹配，当工作频率增加到尾端频段时，天线与

19、电子标签芯片间的匹配问题更加重要。在RFID应用中，电子标签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，而缺少准确的参数，天线设计将难以达到最佳。此外，相应的小尺寸以及低成本等要求也对天线的设计带来挑战，因此天线的设计面临许多问题。电子标签天线的特性受所标识物体的形状及物理特性的影响，而电子标签到贴电子标签的物体的距离、贴电子标签物体的介电常数、金属表面的发射和辐射模式等都将影响到天线的设计。2.4 谐谐 振振 回回 路路按电路连接方式的不同，谐振回路有串联谐振回路和并联谐振回路两种。1串联谐振回路将图2-5可简化为如图2-6所示的串联谐振回路。图2-6 串联谐振回路 在具有电阻

20、R、电感L和电容C的串联谐振交流电路中，电路两端的电压与其中电流的相位一般是不同的。调节电路元件(L或C)的参数或电源频率使它们的相位相同，整个电路将呈现为纯电阻性，将电路达到的这种状态称之为谐振。在谐振状态下，电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。研究谐振的目的就是要认识这种客观现象，并在科学和应用技术上充分利用谐振的特征，同时又要预防它所产生的危害。在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等，即XC=XL时，电路中的电压US与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振(也称为电压谐振)。当电路发生串联谐振时，电路的阻抗为 22CLZRXXR电路中的总阻抗最小，

21、电流将达到最大值。图2-6中，在可变频电压US的激励下，由于感抗、容抗随频率变动，所以电路中的电压、电流亦随频率变动。电路中的电感和电容串联在一起，可知该电路会发生串联谐振，其阻抗为 CLRZ1j2并联谐振回路并联谐振回路电子标签电路中的电感和电容是并联的，所以发生并联谐振。谐振时，电容的大小恰恰使电路中的电压与电流同相位，电源电能全部为电阻消耗，成为电阻电路。图2-7为并联谐振回路。图2-7 并联谐振回路 电路的导纳为 1jYGCL2.5 电磁波的传播电磁波的传播RFID系统中的读卡器和电子标签通过各自的天线构建了两者之间非接触的信息传输信道，这种信息传输信道的性能完全由天线周围的场区决定，

22、遵循电磁传播的基本规律。受媒质和媒质交界面的作用，产生反射、散射、折射、绕射和吸收等现象，使其特性参数如幅度、相位、极化、传播方向等发生变化。电磁波传播已形成电子学的一个分支，它研究无线电磁波与媒质间的这种相互作用，阐明其物理机理，计算其传播过程中的各种特性参量，为各种电子系统工程的方案论证、最佳工作条件的选择和传播误差的修正等提供数据和资料。根据电磁波传播的原理，用无线电磁波来进行探测，是研究电离层、磁层等的有效手段。电磁波传播为大气物理和高层大气物理等的研究提供了探测方法，积累了大批的资料，并为数据分析提供理论基础。电磁波频谱的范围极其宽广，是一种巨大的资源。研究电磁波传播是开拓利用这些资

23、源，它主要研究几赫兹(有时远小于1 Hz)到3000 GHz的无线电磁波，同时也研究3000 GHz384 THz的红外线、384 THz770 THz光波的传播问题。电磁波传播所涉及的媒质有地球(地下、水下和地球表面等)、地球大气(对流层、电离层和磁层等)、日地空间以及星际空间等。这些媒质多数是自然界存在的，但也有许多人工产生的媒质，如火箭喷焰等离子体和飞行器再入大气层时产生的等离子体等，它们也是电磁波传播的研究对象。这些媒质的结构千差万别，电气特性各异，但就其在传播过程中的作用可以分为三种类型：连续的(均匀的或不均匀的)传播媒质，如对流层和电离层等；媒质间的交界面(粗糙的或光滑的)，如海面

24、和地面等；离散的散射体，如雨滴、雪、飞机、导弹等，它可以是单个的，也可以是成群的。这些媒质的特性多数随时间和空间而随机地变化，因而与它们相互作用的波的幅度和相位也随时间和空间而随机变化。因此，媒质和传播波的特性需要用统计方法来描述。2.5.1 电磁波的频谱电磁波的频谱在RFID系统中，特定频率范围内的无线电磁波经过编码，在读卡器和电子标签之间传输。整个电磁波包括伽玛射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电磁波，它们的不同之处在于波长或频率。无线电磁波可进一步划分成低频、高频、超高频和微波，RFID技术一般采用的都是这些范围内的无线电磁波。通过无线电磁波进行能量的辐射，可以描述成光子流

25、。每个光子流都以波的形式光速运动，每个光子都携带一定大小的能量，不同电磁波辐射之间的区别在于光子携带能量的大小。无线电磁波的光子能量最低，微波比无线电磁波的能量高一点，红外线的能量最高。电磁波频谱可以通过能量、频率或者波长来表示，但是由于无线电磁波的能量都很低，因此常采用频率和波长来描述。电磁波的特性是频率、波长和速度，可通过公式实现相互转换。图2-8给出了电磁波频谱的划分。图2-8 电磁波频谱的划分 2.5.2 电磁波的自由空间传播电磁波的自由空间传播所谓的自由空间，指的是理想的电磁波传播环境。自由空间传播损耗的实质是因电磁波扩散损失的能量，其特点是接收电平与距离的平方以及与频率的平方均成反

26、比。电磁波自由空间传播如图2-9所示，其中T为发射天线，R为接收天线，T、R相距d。图2-9 电磁波自由空间传播若发送端的发射频率为 PT，距离 d 处的球形面积为24 d，因此在接收天线的位置上，每单位面积上的功率为T24Pd。如果接收端用的是无方向性的天线，根据天线理论，此时天线的有效面积是24，因此接收到的功率为 222TRTT24444PcPPPdddf(2-6)路径损耗为 22TR44sPddfLPc(dB)92.420lg(km)20lg(GHz)sLdf式中：f为信号的频率；c为光速；为信号波长。自由空间损耗写成分贝值为 2.5.3 电磁波的多径传播和衰落电磁波的多径传播和衰落电

27、磁波在传播的过程中，可能经历长期慢衰落和短期快衰落。1电磁波传播的长期慢衰落电磁波传播的长期慢衰落长期慢衰落是由传播路径上固定障碍物(如建筑、山丘、树林等)的阴影引起的，因此称为阴影衰落。阴影引起的信号衰落是缓慢的，且衰落的速率与工作频率无关，只与周围地形、地物的分布、高度和物体的移动速度有关。dLLX长期慢衰落一般表示为电磁波传播距离的平均损耗(dB)加上一个正太对视分量，其表达式为 (2-8)式中：Ld是距离因素造成的电磁波损耗；是满足正太分布的随机变量，其均值为0，方差为 ，移动通信环境中的典型值为8 dB10 dB。X22电磁波传播的短期快衰落电磁波传播的短期快衰落由于电磁波具有反射、

28、折射、绕射的特性，因此接收端接收到的电磁波信号可能是从发送端发送的电磁波经过反射、折射、绕射的信号的叠加，即接收信号是发送信号经过多种传播途径的叠加信号。另外，反射、折射、绕射物体的位置可能随时间的变化而变化，因此接收信号接收到的多径信号可能在这一时刻与下一时刻不同，即接收端接收到的信号具有时变特性。无线通信中的电磁波传播经常受到这种多径时变的影响。考察信道对发送信号的影响。发送信号一般可以表示为 j21()Re()ecf ts ts t(2-9)假设存在多条传播路径，且与每条路径有关的是时变的传播时延和衰减因子，则接收到的带通信号为 j2()j21()()()()e()ec ncftf tnnnnnnx ta t s tta ts tt (2-10)式中：是第n条传播路径的时变衰减因子；是第n条传播路径的时变传播时延；是发送信号的等效低通信号；fc是载波频率。可以看出，接收信号的等效低通信号为()na t()nt1()s tj2()11()()e()c nftnnnx ta ts tt(2-11)而等效低通信道可以用下面的时变冲激相应表示为 j2()(;)()e()c nftnnncta ttt(2-12)