（电工理论与新技术专业论文）超高频射频识别系统的研究与标签设计.pdf

超高频射频识别系统的研究与设计 a b s t r a c t t h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yo f n o n - c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i n c a t i o n ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fu l t r ah i g h f r e q u e n c y ( u h f ) r f l ds y s t e mi nr e c e n ty e a r ，r f i ds y s t e m sa r ea p p l i e di nm o r ea n d m o r ef i e l d s ，a n dt h e yh a v ei n v o l v e di nm a n ya s p e c t so fp e o p l e sd a i l yl i f e c o m p a r e d w i t ht h el o w - f r e q u e n c ya n di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c yi d e n t i n c a t i o n s y s t e m ，u h fr f i di so n ek i n do fr f i dt e c h n o l o g yb yw h i c ht h ed e v i c e si m p l e m e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t ht a g sa tu h ff r e q u e n c yb a n d b e s i d e st h ea d v a n t a g e s l i s t e da b o v ei ta l s op r o v i d e sl o n g e ri d e n t i 6 c a t i o nd i s t a n c e ，w i d e ri d e n t i n c a t i o nr a n g e a n dd e e p e ri d e n t i f i c a t i o nd e p t h n o w a d a y s ，i th a sb e c o m eah o ts p o ti nr f i dr e s e a r c h f o rt h er e q u i r e m e n to fr e m o t ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t h er a d i of r e q u e n c y i d e n t i n c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yi ss t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，w i t ht h ea u t o m a t i c i d e n t i 6 c a t i o ns y s t e mo ft h et r a m ci n s p e c t i o na sab a c k g r o u n d t h ef u n d a m e n t a l s a s s o c i a t e dw i t hr f i ds y s t e mi nt h ef i e l do fe l e c t r o m a g n e t i ca n dc o m m u n i c a t i o n sa r e s u m m a f i z e da n dt e c h n i c a le s s e n c ei sp o i n t e do u ta tt h ev i e w p o i n to fs y s t e md e s i g n f i r s t l y ， t h e o r e t i c a lm e t h o d so ft h eu h fr f i ds y s t e ma n dt h et a g sd e s i g na r e i n v e s t i g a t e d ，t h ee m p h a s i si sp l a c e do nt h er ff r o n t - e n ds t r u c t u r ea n ds o m ek e y t e c h n o l o g i e so ft h eu h f r f i dt a gi nt h i sp a p e r i nt h ea p p l i c a t i o n s ，m a i nf o c u s e sa r e o nt h ea u t h e n t i c a t i o na n ds e c u r ec o m m u n i c a t i o nl i n k sb e t w e e nt a g sa n dr e a d e r s ，t h e s e c u r i t yt e c h n o l o g i e sa n dm e c h a n i s m so ft a gh a v e b e e ns t u d i e d i nt h ei n i t i a l s e c o n d l y ，i tc a r r i e do u tr f i du h fr ff r o n t e n ds t r u c t u r ea n df u n c t i o no fs y s t e m s i m u l a t i o na n dal o w - p o w e ru h fr f i dh a sb e e nd e s i g n e d i nu l t r a - h i g hf r e q u e n c y r f i de l e c t r o n i ct a g so ft h ed e s i g n ，a sa ne l e c t r o n i ct a ga ni n l p o n a n tp a no ft h e a n t e n n aa n da s s o c i a t e dr fc i r c u i ta n dt h e t a gm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， w h i c h d e t e r m i n e st h eo v e r a nr f i ds y s t e mp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dt h ea c t u a la v a i l a b i l i t y t h r o u g hr e s e a r c h ， w eh a v em a d et h es u c c e s so ft h ed e s i g no fag o o du h fb a n dr f i d t a g f i n a i ， t h ei n s p e c t i o ns y s t e m sc o m b i n i n gw i t ht h ei n t e l l i g e n tc o d i n gt e c h n o l o g y h a v eu s e di nt h et r a f f i c ，t h em e a s u r e da n dt h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tv a l i d i t yo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i n c a t i o n ；r ff r o n t - e n d ；u l t r ah i g hf r e q u e n c yt a g ； i n t e l l i g e n tc o d e ；l o wp o w e r i i i 硕l 学位论文 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图 图 图 图 9 l0 1 l 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 15 图5 1 6 图5 1 7 图5 18 图5 1 9 插图索引 坐标系统7 射频识别系统的防碰撞的数学模型1 7 纯a l o h a 防碰撞算法18 时隙a l o h a 算法1 9 动态帧时隙a l o h a 算法2 0 数据流的格式2 1 射频识别系统的基本通信结构框图2 8 常用数据编码格式2 9 串行c r c 组成结构图3l 并行c r c 结构图3 2 常用的电子标签3 4 p c b 微带天线3 6 电子标签制作工艺3 8 电子标签发送电路的结构图4 3 电子标签接收电路的结构图4 3 电子标签控制部分的结构4 3 m a n c h e s t e r 编解码仿真模型4 4 m a n c h e s t e r 编解码仿真波形图一4 5 正弦幅度调制电路4 5 正弦幅度调制电路的波形图4 6 整流滤波电源产生电路4 6 整流滤波电源产生电路的波形4 7 包络产生电路与检波电路4 7 包络检波解调电路的波形4 8 复位信号产生电路4 8 复位信号产生电路仿真图4 9 电子标签射频接口整体仿真4 9 发射流程图。5 2 接收流程图5 2 标签电路图5 4 标签端软件主流程图5 5 标签端软件数据交互流程图5 5 v i 超高频射频识别系统的研究与设计 图5 2 0智能视频编码框图5 7 图5 2 1智能视频解码框图一5 7 图5 2 2智能编码框图5 8 v i i 硕j j 学位论文 附表索引 表2 1射频识别系统的特性及其分类一1 2 表2 2 几种通信方式对应的系统特性1 2 表4 1丝印天线的性能参数3 8 表4 2 天线制作工艺优缺点3 9 表4 3凸点工艺关键技术及特点4 0 v i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 弘州 日期：妒广年r 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 月月 r 厂 年年 7贸1 川1 期期 硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会现代化进程的加快，信息技术正在改变人们的生活，射频识别 ( r f i d ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术的推广和应用作为我国信息化建设的 基础工作之一，已得到了政府和社会的高度重视。射频识别产业经过多年的发展 已经初具规模，迎来了前所未有的发展机遇。识别是人们生活和生产管理中非常 重要的一件事，为了便于管理人们将个人、车辆、货物等进行编号及信息化处理 以提高管理的效率，信息技术的一个必然趋势是在任何地点、任何时间尽可能地 获得业务状态的实时信息。在各种通信网络系统高度发达的今天，实现上述目标 受到的最根本的限制在于能否同步获得原始数据：什么东西或人员在哪里，他们 发生了什么，他们状态怎么样? 射频识别技术可以使计算机系统在没有人类干预 的情况下识别人和物体，迅速地知道他们处于什么状态、什么地点、判别他们的 身份。采用基于无线通信的射频识别技术在系统效率、使用便捷性以及探测隐蔽 性方面具有巨大的优势。目前，射频识别技术已经逐步进入了人们的生活之中成 为了继蜂窝无线通信和无线局域网之后又一个引入注目的新领域。r f i d 技术也 在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲为首的发达国家对r f i d 技术 的应用研究已经达到相当高的水平，r f i d 技术是一个崭新的技术应用，它不仅 涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包括通信原理及半导体集成电路技术，是 一个多学科综合的学科，对r f i d 技术的研究具有深远的意义。 1 1 射频识别的发展及研究现状 射频识别技术最早应用于第二次世界大战期间，美军用射频识别技术识别自 家和盟军的飞机，至今已有6 0 多年了，射频识别技术的发展阶段如下： 1 9 4 1 1 9 5 0 年：雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定理论基础； 1 9 5 1 1 9 6 0 年：r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室研究； 1 9 6 1 19 7 0 年：r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试； 1 9 7 1 1 9 8 0 年：各种r f i d 技术得到了加速发展，出现了一些r f i d 应用： 1 9 8 1 1 9 9 0 年：r f i d 技术产品进入商业应用阶段，各种系统应用开始； 1 9 9 1 2 0 0 0 年：r f i d 技术标准化得到重视，r f i d 产品得到了广泛应用； 2 0 0 1 年至今：标准化问题更加得到了重视，产品种类更加丰富，电子标签 得到了大的发展，成本不断降低。 国外r f i d 技术发展很快，产品种类很多，像德州仪器、摩托罗拉、飞利浦 等世界著名厂家都生产r f i d 产品，各有特点，自成体系。 超高频射频识别系统的研究与标签设计 我国r f i d 产业链基本形成，但还不完善，中间件设备商数量少，电子标签 价格较高以及国内用户对r f i d 认知不够，技术不完备等因素对r f i d 产业及市 场的发展造成了一定的阻碍。 在国外，r f i d 技术的研究已有相当长的历史，可以检索到的国外r f i d 专利 达到6 0 0 0 多项，其中5 0 以上是发明专利。 据调查，r f i d 产品全球销售额从1 9 9 9 年的6 5 8 亿美元，提升到2 0 0 2 年的 1 1 亿美元，2 0 0 5 年全球r f i d 市场规模达3 0 亿美元，专家预计2 0 1 0 年全球r f i d 市场达到7 0 亿美元，平均增长率为2 6 “2 3 。继条码之后，r f i d 技术正成为全球 贸易、制造业和供应链管理的基础，对全球各个行业的生产、流通和管理模式都 带来了深刻的变革。r f i d 技术即将成为互联网和手机之后，全球信息产业的又 一场技术革命。 国外在产业方面，美国、欧洲、日本等在各大知名生产商的支持下形成了几 大势力范围1 。 美国：t i 、i n t e l 等美国集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入巨资进行芯片 开发。s y m b o l 等已经开发出可以同时阅读条形码和r f i d 标签的扫码器，i b m 、 m i c r o s o f j 【和h p 等公司也在积极开发相应的软件及系统来支持r f i d 的应用。 欧洲：p h i l i p s 、s t m i c r o e l e c t r o n i c s 积极开发廉价的r f i d 标签，c h e c k p o i n t 开发支持多系统的r f i d 识别系统，诺基亚开发能够基于r f i d 的移动电话购物 系统，s a p 积极开发支持r f i d 的企业应用管理软件。 日本：电子标签研究起步较早，在r f i d 标签的小型化方面，日本的m a x e l l 公司已生产出只有米粒大小的r f i d 标签，用于l3 5 6 m h z 射频识别系统，该r f i d 标签中集成有作为天线的电感线圈。2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司制造出了最小的 r f i d 芯片“u c h i p ”。在r f i d 天线研究领域也取得较大进展，2 0 0 5 年日本三洋 电机和日本t a c h y o n 联合开发出了采用晶圆级封装技术的微波波段r f i d 片上天 线，芯片尺寸为2 m m ，天线所占面积仅为1 2 m m ，传输距离在1 0 c m 以上。同时 还基于晶圆级封装的厚膜树脂层形成技术，把硅底板与天线分开，利用双层结构 配置了天线。 在我国，r f i d 技术的研究起步比较晚，l9 9 3 年，我国政府颁布实施“金卡 工程 计划，加速了我国国民经济信息化进程。1 9 9 6 年lo 月，北京首都机场高 速公路收费站安装了第一个基于r f i d 技术的不停车收费系统，2 0 0 1 年交通部宣 布开发使用电子车牌管理系统，在四川建立了国内第一个r f i d 试验工程，用于 市内车辆管理r f i d 系统，2 0 0 2 年深圳海关建成了不停车具有防拆除功能的r f i d 通关系统。在专利方面，能检索到的国内r f i d 专利7 0 以上是国外公司申请的， 国内企业和高校申请的专利较少。近年来，我国制定自己r f i d 标准的进程开始 加速，技术研发和产业化也初具规模，2 0 0 4 年4 月，中国加入全球标准化组织 硕士学位论文 e p cg l o b a l ，成立e p cg l o b a lc h i n a 。2 0 0 5 年1 2 月，中国信息部成立了电子标签 国家标准工作组，负责起草、制定中国r f i d 技术的国家标准。随着全球兴起r f i d 应用热潮，为我国电子信息产业带来了广阔的发展空间，r f i d 有望成为我国信 息产业的一个新增长点。未来三到五年，我国每年至少需要3 0 亿个以上的r f i d 标签。其中；电子消费品将需要8 3 0 0 万个标签，香烟产品将需要8 亿个标签，酒 类产品需要1 3 亿个标签，i t 产品需要l 3 亿个标签h 1 。而只有掌握了自主知识产 权的核心技术，才不会受制于人，才能大幅度降低r f i d 技术的应用门槛，减轻 国家和企业应用r f i d 技术的负担，推动r f i d 技术在国内各个行业的普及应用。 目前低中频段和高频段的技术比较成熟，而超高频段和微波频段的研究尚在 起步阶段，各标准化组织都对这两个频段的r f i d 标准不断的进行完善中，国内 标准也在紧锣密鼓的筹备之中。基于发展r f i d 技术的目的，本论文对超高频 9 1 5 m h z 及2 4 5 g h z 频段的r f i d 系统进行一定的研究和设计，为推动我国r f i d 技术进行一些实验尝试和探索。r f i d 系统作为一个数据采集和数据传输的系统， r f i d 系统和大多数通信系统一样，有两个最基本的问题需要考虑：通信的效率 和可靠性。效率即尽可能快的完成数据交互的过程，可靠性即在通信中要保障命 令和数据的正确性和完整性。此外，无源电子标签如何获得工作能量，有源电子 标签供电电池，在满足系统可靠性和效率的前提下，如何减少标签端的耗电量， 延长系统使用寿命，也是必须要考虑的问题。 现在r f i d 技术如此快速的发展，可以预见，未来r f i d 技术的发展主要会 向以下特点演变：( 1 ) 更高的安全性；( 2 ) 更大的存储容量，由于半导体技术和芯片 的封装技术的提高，使得标签的储存容量更大；( 3 ) 从单一的识别功能扩展到多用 途多功能；( 4 ) 远距离、智能化方向发展。 1 2 研究背景和意义 射频技术的历史可以追溯到2 0 世纪3 0 年代的美国军方的识别军事目标问题， 其基础是l9 世纪发明的无线电，它的应用原理与无线电广播所使用的原理相同。 到2 0 世纪末，许多无线射频识别应用系统在全球开始扩展，无线射频识别卡、无 线射频识别标签在全球得到使用。现在，无线射频识别技术正在改变和改进各地 的商业和工业活动。如今r f i d 技术带来的方便，带来的经济效益以及他的广泛 的应用前景，也成为驱动射频识别技术新的应用开发与利用的力量。在2 l 世纪， 围绕r f i d 的新一轮发明和革新将进一步推动r f i d 进入人们的生活哺1 。 r f i d 是一项利用射频信号通过空间藕合( 交变磁场或电磁场) 实现信息传递 并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识 别技术在低频段基于变压耦合模型( 初级与次级之间的能量传递及信号传递) ，在 高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型( 雷达发射电磁波信号碰到目标后携带 超高频射频识别系统的研究与标签设计 目标信息返回雷达接收机) ，同传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，r f i d 不但可以使射频标签和阅读器之间实现无接触识别，而且可以实现多个标签的防 碰撞操作，从而可以解决很多传统识别技术的缺陷。并且具有防水、防磁、耐高 温、读取距离大、数据加密、存储数据容量更大、存储信息更改简单等特点。射 频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展，所涉及的关键技术大致包括：芯 片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性等，随 着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，及其与其他高技术 ( g p s 、图像识别、生物识别等) 的结合，应用成本也会越来越低，因此，r f i d 被 评为二十一世纪的十大重要技术之一1 。 r f i d 技术是从上世纪8 0 年代走向成熟的一项自动识别技术，近年来发展十 分迅速。进入2 1 世纪，r f i d 产业受到了政府部门和研究机构的重视，各项支持政 策逐步出台，支持力度逐步加大；同时政府也大力推动了r f i d 在行业的应用。 r f i d 技术有着广泛的应用前景，大部分集中在低频及中高频段，对识别距 离的要求不是很高，多采用无源r f i d 系统来进行管理，电子标签不提供电池， 标签发射信号需要的能量靠标签进入读写器形成的能量场范围后得到。而在另外 一些应用中，要求识别距离长，多采用超高频、微波频段有源r f i d 系统来进行 管理，即电子标签本身带有电池，可以主动发射射频信号，提高了读写器和电子 标签的识别距离和响应速度。在我国，低频和中高频r f i d 发展较早，技术也相 对成熟，产品应用广泛而且成本低，因此这两个频段的产业已经充分发展( 如：第 二代身份证的大规模换发) ，但是u h f 频段和微波r f i d 还没有广泛使用，还在 发展初期，r f i d 已经被列入国家科技部中长期科研计划( 8 6 3 计划) 中的重大科技 专项。“十一五 期间，以u h fr f i d 技术在交通环节的应用为突破，将带动我 国未来数百亿的半导体芯片、电子标签和读写器市场，同时大大提高我国制造业、 商业和政府交通部门的管理效率，提高竞争力，并催生出各种便利人们生活的多 种智能应用业务，为以人为本的和谐社会提供经济合理的信息网络技术。 随着我国经济实力的提高，2 0 0 9 年1 月，全国机动车保有量为1 7 亿多辆，其 中私人机动车保有量占总量的7 6 4 9 。国家两会目前通过汽车产业调整振兴规 划，提出加快汽车产业调整和振兴，实施积极的汽车消费政策，国内汽车总数量 大，对传统的车辆稽查管理提出了巨大挑战h 1 。本文即从这种远距离的r f i d 应 用需求出发，而目前低频、中高频系统不能满足这类应用需求，研究了超高频远 距离r f i d 系统关键技术及电子标签，仿真和设计了远距离超高频电子标签，由 于超高频r f l d 系统电子标签在工作频点、标签工作能量来源、调制编码技术等 方面和中低频的r f i d 系统有很大差别，同时汽车电子标签要求使用电池寿命长、 工作环境差等特点，因此要求r f i d 系统是低功耗、高可靠性、远距离。这些都 有待于研究改进，r f i d 技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面r f i d 硕士学位论文 的成功应用反过来又极大地促进应用需求的扩展。从技术角度来说，r f i d 技术 的发展体现在若干关键技术的突破，从应用角度来说，r f i d 技术的发展目的在 于不断满足日益增长的应用需求。 1 3 本文主要研究工作 本文主要针对超高频射频识别系统进行研究，研究的具体内容包括以下几个 方面： 第一章绪论，明确本论文的研究背景和意义，论文的所要研究的主要课题和 内容，以及论文的主要研究重点。 第二章频射频识别系统的概述，从射频识别系统的物理原理开始，分析射频 识别系统的能量及数据传输原理，介绍电子标签原理和面临的挑战进行研究，最 后分析射频识别系统的分类。 第三章超高频射频识别系统的主要技术研究，详细分析了超高频射频识别系 统的关键技术，重点分析和研究超高频的防碰撞算法、安全性及措施、数据传输 和校验方式。 第四章超高频电子标签的研究，针对超高频电子标签，本章重点分析了电子 标签的天线原理、数据通信协议、电子标签制作的工艺及其性能评估。 第五章超高频电子标签的设计和应用。对9 1 5 m h z r f i d 系统电子标签射频 前端进行系统级仿真分析，同时对2 4 5 g h z 的电子标签选用m s p 4 3 0 低功耗单片 机和n r f 2 4 0 1 射频模块进行低功耗电子标签设计，结合智能视频编码技术实现车 辆稽查系统的应用，对系统进行功能性测试，和理论值进行对比及分析。 最后是本文的结论与展望。指出本文完成的主要工作，并对未来需要进一步 展开的工作进行展望。 超高频射频识别系统的研究与标签设计 第2 章射频识别系统概述 本章从射频识别系统的工作原理入手，以天线及电磁场原理为基础，介绍了 射频识别系统的应用条件，探讨了天线传输理论。分析射频识别系统的能量传输 及数据传输的原理、射频识别系统的电子标签的工作原理及面临的挑战。最后， 对现有r f i d 系统分类进行简要介绍。 2 1 射频识别系统的物理学原理 射频识别系统是利用电磁感应、无线电波及微波进行数据通信，通常r f i d 系统通信有两种信号耦合方式：磁场耦合( 变压器耦合) 和电磁场耦合( 雷达耦合) ， 磁场耦合一般应用于中低频，而电磁场耦合一般应用于高频和超高频，本文研究 和设计的超高频射频识别系统采用的是电磁场耦合，即雷达耦合。在通信链路中， 读写器和标签的天线性能及天线所产生的电磁场是其中最基本的部分。 2 1 1 天线的基本概念 在射频识别系统中读写器通过天线将电磁波发射到空间并将能量或信息传送 给标签，而无源标签是通过天线从所处的电磁场中获取能量与信息，有源标签获 取信息，标签将自身信息通过调制反射从天线返回读写器。为了更加方便的理解 射频识别系统中读写器与标签之间的电磁场连接关系，本节将对天线的基本概念 进行一些简单介绍。 天线在r f i d 系统中是很重要的一个部分，天线性能与系统性能密切相关，衡 量天线性能的尺度是天线的电参数，用以衡量天线把高频电流能量转换成空间电 波能量以及定向辐射的能力。包括方向函数、天线效率、增益系数、天线的极化、 频带宽度、天线的输入阻抗。 方向性就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向( 子午角秒、 方位角够) 的关系： f ( 秒，伊) = ( 里：竺! ：堕翌：翌u 工撒( 秒，缈)i 巨。( 侥缈) ( 2 1 ) 式中，厶缸( 口，伊) 为方向函数的最大值，k ( 良驴) 为最大辐射方向上的电场 强度，e ( 9 ，p ) 为同一距离( 矽，秒) 方向上的电场强度。 天线效率：通常被定义为天线辐射功率所与输入功率之比，记为玑即 ，7 。= 丛 ( 2 2 ) p h 增益系数：是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它等于在同一 硕士学位论文 距离及相同输入功率的条件下，天线在最大辐射方向的辐射功率密度和理想 无方向性天线的辐射功率密度瓯之比。 天线的极化：是指天线辐射时形成的电场强度方向。一般而言，特指该天线 在最大辐射方向上的电场的空间取向，天线极化可分为线极化、圆极化和椭圆极 化等。 频带宽度：当天线工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许 的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度。 天线的输入阻抗：是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的 连接最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻而且等于馈线的特征阻抗，这时馈线终端 没有功率反射。 2 1 2 天线电磁场基本理论 了解电磁场传播规律，有助于更好地了解和应用射频识别系统。读写器和电 子标签通过各自的天线构建了两者之间的非接触信息传输信道，空间信息传输信 道的性能完全由天线周围的场区特性决定，射频信号加载到天线上以后，在紧邻 天线的空间中，除了辐射场还有一个非辐射场，非辐射场与距离的高次幂成反比， 随着离开天线的距离迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因此该区域成 为电抗近场区，它的边界大约为1 个波长。超过电抗近场区，就是辐射场，又分 为辐射近场区和辐射远场区，根据观测点距离天线的距离不同，天线周围分为电 抗近场区( 无功近场区) 、辐射近场区和辐射远场区h 1 。 l 、基本电振子( 无限小电流元) 的电磁场特性 ( 1 ) 基本电振子电场强度 使用球坐标系表达三维空间的电场和磁场，如图2 1 所示。在坐标原点沿z 轴方向放置有长度为，= 九r 2 的电流源。并假定出五。电流源所产生的电场 和磁场分别表示为巨，易，日和珥，以。 7 1 x 图2 1坐标系统 电场和磁场分别包含多个子分量，分别是r ，r - 2 ，r 。3 的函数，这便使得电磁 超高频射频识别系统的研究与标签设计 场对不同距离的观察点表现出不同的损耗特性。省去推导过程引用如下结论口1 ， 基本电振子电场特性如下列方程式组： 耻歹巧等 古+ 击卜，c o s 口 e 一嘲等 + 击+ 击 e - 沁m 臼( 2 3 ) e = 0 由以上方程组可知，基本电振子的电场只有耳，易分量，e 由两个分量组成， 分别与，。2 ，r - 3 成正比。 ( 2 ) 基本电振子磁场特性方程式组 基本电振子的磁场只有一个分量，其包含两个子分量，分别与，_ 2 成正比。 2 、三种不同特性的场区特性 ( 1 ) 无功近场区 它也称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域，该 区域中电抗性储能场占支配地位，是一个储能场，在该区域中束缚于天线的电磁 场没有做功( 只是电场与磁场的相互转换) ，因此将该区域称为无功近场，对于远 距离超高频r f i d 系统不是受关注的场。 ( 2 ) 辐射近场区 超过电抗近场区就是辐射近场区，辐射近场区的电场能已经脱离了天线的束 缚，并作为电磁波进入空间，在辐射近场区中，场区中辐射场占优势，并且辐射 场的角度分布与距离天线口径的距离有关，天线对观察点辐射场的贡献，其相对 相位和相对幅度是天线距离的函数。在近场区基本电振子电磁场方程组如下阳3 ： 辱一j ”筹础 易一j q 黔s i i l 1 9 ( 2 5 ) q = 券s i n 臼 电场e ，岛，和磁场矾相位差9 0 。，此时坡印廷矢量如下式： p证 步 上弦 + 茔f 栅 0 0 = = = 缉 也 硕上学位论文 三层= 瓢弛一弛q ：和要( 等) 2 等+ 西要等半 q 石 卜学p 亿7 ， k 歹等p 呐咖p m 一 儿圭弛q = 别等s i n 刁 ( 2 8 距离r 为：尺：兰兰，式中d 为天线直径，九为天线波长，d 见。 2 2 射频识别系统的能量传输原理 对于工作在9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 或者更高频率的超高频射频识别系统，采用 反向散射调制，利用电磁波反射完成电子标签到读写器的能量传输。 ( 1 ) 读写器到电子标签的能量传输 在距离读写器r 处的电子标签的功率密度为： p 门p s = 等= ( 2 9 ) 4 万r 24 万r 2 一 式中，为读写器的发射功率，嘞为发射天线的增益，r 是电子标签和读 写器之间的距离，是天线的有效辐射功率( 读写器发射功率和天线增益的乘 积) 。在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率 p 与入射波的功率密度s 成正比： 超高频射频识别系统的研究与标签设计 p 脚= 4 s = 等s = ( 去) 2 ( 2 1 0 ) 式中6 矗为电子标签的天线增益，42 乞。射频电子标签是否能够工作主要 由电子标签的工作电压来决定，其中有源超高频电子标签通过电池供电，这决定 了有源电子标签的使用时间及识别距离。 ( 2 ) 电子标签到读写器的能量传输 电子标签返回的能量与它的雷达散射截面仃成正比，它是目标反射电磁波能 力的测量，散射截面取决于一系列的参数，如目标的大小、形状、材料、表面结 构、波长和极化方向等。 电子标签返回的能量为： p 删勘= 等盯= 熹盯 ( 2 1 1 ) 电子标签返回读写器的功率密度为： = 器 ( 2 1 2 ) 接收天线的有效面积为： 4 = ! 警为接收天线增益 ( 2 1 3 ) 接收功率为： = 句= 锵 ( 2 1 4 ) 2 3 射频识别系统的数据传输原理 射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通 信距离，可以分为近场和远场。相应的，读写器和电子标签之间的数据交换方式 也被分为负载调制和反向散射调制。前者多用于低、中频射频识别系统中，通过 静态场的耦合来实现，后者多用于高频、超高频及微波。 在远距离超高频射频识别系统中，读写器和电子标签之间的距离有几米以及 更远，而载波波长仅有几到几十厘米，读写器和电子标签之间的能量传递方式为 反向散射调制，它是指电子标签将数据发送到读写器时所采用的通信方式。电子 标签返回数据的方式是通过控制天线的阻抗完成的，控制电子标签天线阻抗的方 法有很多种，其中一种是基于“阻抗开关 的方法，要发送的数据信号是两种电 平的信号，通过一个简单的混频器( 逻辑门) 与中频信号完成调制，调制后的信号 送到一个“阻抗开关 ，由阻抗开关改变天线的发射系数，从而对载波信号完成 硕士学位论文 调制。 有源r f i d 系统中标签端的能量主要由标签内的电池提供，电子标签一个发 射机来发送自己的i d 数据，读写器端一个接收机来接收电子标签发送过来i d 数 据。如果系统采用的通信方式为读写器先发起通信这种模式，或者系统为可读可 写系统，则读写器还需要配置一个发射机，电子标签要一个接收机。- 2 4 射频识别系统的电子标签 2 4 1 电子标签的工作原理 r f i d 系统的通信过程是读写器给电子标签信息和获得电子标签上的信息的 过程，在无源的电子标签上，必须依靠从读写器发送的射频信号中获得能量，即 波束供电。工作在超高频段的电子标签，读写器发送的电磁波遇到电子标签的天 线时，一部分能量被标签吸收用来对内部芯片进行供电，另一部分通过电磁反向 散射的方式被反射回读写器。其中电子标签中的检波电路可将标签天线接收到的 高频电磁能量转化为可以供其它电路工作所需的直流电源；调制电路可以把存储 在电子标签内的相关数据信息调制到反射的电磁波上，从而实现电子标签到读写 器的数据传输。当标签天线的负载阻抗与标签天线的输入阻抗相共轭时，天线接 收到的能量最大，反射的电磁波功率接近于o ；而标签天线的负载阻抗与标签天 线输入阻抗互相失配时，则标签天线接收到的功率被反射出去。因此，标签反射 电磁波功率的变化与标签天线负载阻抗有关，r f i d 系统正是利用这一特性，通 过标签的数字电路控制标签天线负载的变化，从而将r f i d 标签存储的内容调制 到反射的电磁波中，实现从r f i d 标签到读写器的数据传输口1 。 2 4 2 电子标签发展面临的挑战 制作标签所用材料的影响：某些材料会影响信号的读取，比如金属对射频信 号有反射作用、水对射频信号由吸收做。不同的产品和射频信号之间的互动方式 是不同的，在标签的设计和生产中要选择合适的标签材料。 标签的放置影响其读取：标签的放置方式会对标签的极化方向产生影响，读 写器的天线和标签的天线平行时其效果最好。在超高频频段的标签对极化方向更 加的敏感，这个问题可以通过改变读写器和天线的结构来解决，在系统集成时， 设计人员要对标签天线的工作方式有很好的理解，合理放置保证读取率。 标签的滞后性问题：射频电波容易穿过比较皱的纸板，读写器很容易读取放 在这种材料内部或者贴在其上的标签信息，但是变潮后电波就不容易穿过，这就 是滞后效应，不利于标签的制造。在使用中环境的改变会对r f i d 系统的工作性 能产生很大的影响。 标签安全与隐私的保护：r f i d 在各行各业中的运用，也暴露了其存在的各 超高频射频识别系统的研究与标签设计 种安全缺陷，造成的安全隐患将会严重限制r f i d 的发展，制约其大规模普及。 r f i d 是否会成为黑客的新目标，是否会感染病毒，标签是否可以设计出更完美 的加密算法，己达到保密与性能的平衡等，这些安全隐患都亟待解决。 低功耗问题：开发低功耗的标签可以延长标签的使用时间，从而降低标签的 成本。随着微型集成电路技术的进步，微型智能r f i d 标签得到的了很大的发展， 在低功耗i c 技术方面的突破，为我们发展小型、低功耗的主动标签创造了条件旧1 。 2 5 射频识别系统的分类及标准 r f i d 技术诞生至今，在使用频率、电子标签、读写器以及数据传输等方面 都呈现出多样化的趋势，很难找到一种方法来给全部的r f i d 系统进行分类。 根据射频识别系统的系统特性，可以将射频识别系统进行多种分类，如表2 1 ： 表2 1射频识别系统的特性及其分类 系统特性 工作方式全双工系统半双工系统时序系统 数据量l 位系统多位系统 可否编程可编程系统不可编程系统 数据载体l c 载体表面波载体 运行情况状态机系统微处理器系统 能量供应有源系统无源系统 工作频率 低频系统中高频系统微波系统 数据传输电感耦合系统电场反向散射耦合系统 信息注入方式 集成电路固化式现场有线改写式现场无改写式 读取信息手段 广播发射式系统倍频式系统反射调制式系统 作用距离密耦合系统遥耦合系统远距离系统 系统特性低档系统中档系统高档系统 在射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信方式通常有电磁耦合、电 磁感应和微波3 种，不同的通信方式适合不同的工作频率和电子标签类型，直接 影响系统的识别距离、环境适应性等特性。表2 2 是几种通信方式对应的系统特 性。表2 2 几种通信方式对应的系统特性 环境适应性 通信力式 识别距离标签类型 污染磁场高温 电磁耦合强中中 2 一1 0 m m 无源或有源 电磁感应强差中 2 m m l 无源 微波强中中0 3 m 或更远有源 硕上学位论文 2 6 本章小结 本章介绍了射频识别系统的物理学原理，研究了能量及数据传输技术实质， 总结了r f i d 系统中的电磁能量传输的基本概念，探讨了天线产生的辐射场及其 场的特性。同时对电子标签进行了介绍，分析电子标签面对的挑战和应用前景。 最后介绍了射频识别系统的分类。 超高频射频识别系统的研究与标签设计 第3 章超高频射频识别系统主要技术研究 超高频r f i d 技术是目前射频识别技术最活跃的技术领域，与高频和低频的 射频识别系统相比，超高频r f i d 系统具有读写距离远，通常大于1 米，在物流、 供应链管理、交通管理等领域获得了广泛的应用。 3 1 超高频i 心i d 系统的防碰撞技术 3 1 1 通信中的防碰撞算法的应用 在无线通信技术中，通信碰撞的问题是长久以来一直存在的问题，目前相应 的解决方法基本上有四种：空分多路( s d m a ) 法、频分多路( f d m a ) 法、时分多路