第2章RFID系统的构成及工作原理 (5)讲解

二、 RFID技术之频谱基础知识
卷标比较表-使用频率
低频(LF) 频率 常见频段 系统型态 全球接受 频率 通讯距离 传输功率 成熟度 读取方式 100~500K Hz 125KHz 135KHz 被动式 是 50cm以内 72dBμA/m 成熟 电磁感应 高频(HF) 10~15MHz 13.56MHz 被动/主动式 是 1.5m以内 42dBμA/m 成熟 电磁感应 超高频(UHF) 433~950MH z 微波 (Microwave) 1GHz以上 2.45GHz 5.8GHz 被动/主动式 部分 3~10m 4W 开发中 微波共振
ISO对应标准
低
64~1K
ISO18000-2 Two Type 被动式
高
256~512K
ISO18000-3 Two Mode 被动式
较高
64~512
ISO18000-6 Two Type 被动/半主动式
最高
16~64
ISO18000-4 Two Mode 被动式/半主动式
应用
门禁系统 动物识别 存货控制 芯片防盗锁
图2-7 RFID读写器、标签天线
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
1. RFID天线概述
（1）天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天 线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接 下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。 可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也 就没有无线电通信。 （2）天线的分类 按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等； 按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等； 按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等； 按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；
卷标比较表使用频率低频lf高频hf超高频uhf微波microwave频率100500khz1015mhz433950mhz1ghz以上常见频段125khz135khz1356mhz433mhz868950mhz245ghz58ghz系统型态被动式被动主动式被动主动式被动主动式全球接受频率是是部分部分通讯距离50cm以内15m以内310m310m传输功率72dbam42dbam10mw4w4w成熟度成熟成熟新技术开发中读取方式电磁感应电磁感应微波共振微波共振23二rfid技术之频谱基础知识卷标比较表使用频率续低频lf高频hf超高频uhf微波microwave价格低中高高环境影响x金属潮湿潮湿数据传输率低高较高最高内存bytes641k256512k645121664iso对应标准iso180002twotype被动式iso180003twomode被动式iso180006twotype被动半主动式iso180004twomode被动式半主动式应用门禁系统动物识别存货控制芯片防盗锁智慧卡图书馆管理商品管理铁路车厢监控仓存管理道路收费系统24二rfid技术之频谱基础知识射频识别系统工作频段二rfid技术之频谱基础知识二rfid技术之频谱基础知识射频识别系统工作频段如表21所示
二、 RFID技术之频谱基础知识
4. RFID工作频率的分类
射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率， 射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电 感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读 写器实现的难易程度和设备的成本。 1）低频 (Low Frequency) 使用的频段在100~500KHz之间，以125KHz、135KHz最为常见 优点： 不易受干扰，当标签靠近金属或是液体的物品时，还能够有效 的发射讯号 缺点： 读取距离短、无法同时辨识多个标签，主要用于门禁系统、动 物芯片、汽车防盗器
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
2. RFID天线基础知识
（1） 电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与 导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束 缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图1.1 b 所示，电 场就散播在周围空间，因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长 度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成 较强的辐射。
二、 RFID技术之频谱基础知识
4. RFID工作频率的分类
2）高频 (High Frequency) 使用频段在10~15MHz之间，以13.56MHz最为常见 优点： 感应距离较长、读取速度较快，而且可以同时间辨识多个标 签，主要应用于图书馆管理、产品管理、智能卡等。 缺点： 易受干扰，当标签靠近金属或是液体的物品时，能够发射有 效发射讯号。
二、 RFID技术之频谱基础知识
1.无线电信号的特性
在高频电路中，我们要处理的无线电信号主要有三种:基带（消息） 信号、高频载波信号和已调信号。所谓基带信号，就是没有进行调制 之前的原始信号，也称调制信号。
1）时间特性 2）频谱特性 3）传播特性 4）调制特性
图2-3 无线电波的主要传播方式 （a）直射传播(视距)（b）地波传 播（绕射）（c）天波传播（折射 和反射）（d）散射传播
基于RFID的技术特点和潜在的应用空间，国际相关无线电管理机构已 经开始进行频率规划工作，并制定了相应的管理政策，具体情况如表2-3 所示。
二、 RFID技术之频谱基础知识
7.我国860～960MHz频段频率规划和指配情况
我国的无线电管理机构正积极开展RFID的频率规划和指配工作，并启 动了相关技术研究工作。我国所从事的频率规划工作的指导原则应是： (1)必须确保现有业务的正常运行，在专用频段、公众移动通信、集群通信频 段不能安排此项业务； (2) 在电磁兼容分析和实验的基础上制订出RFID工作频带、发射功率、带外 发射、杂散发射等指标，必要时要制订配套的相关台站管理规定； (3)制订设备的无线技术指标时，要考虑满足RFID业务在中国的大规模有效 使用的频带、信道带宽、带外杂散、发射功率的相关要求。表2-4是我国在 860～960MHz频段的频率规划和指配情况。
二、 RFID技术之频谱基础知识
4. RFID工作频率的分类
4）微波 (Microwave) 使用频段在1GHz以上，其中以2.45GHz及5.8GHz最为常见 特性与超高频类似，对于环境的敏感性较高； 主要用于行李追踪、物品管理、供应链管理等 微波射频标签的典型应用包括：移动车辆识别、电子身份 证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器） 等。相关的国际标准有：ISO10374，ISO18000-4 （2.45GHz）、ISO18000-5（5.8GHz）、ISO18000-6（860930MHz）、ISO18000-7（433.92MHz），ANSI NCITS2561999等。
图1.3.1 a 立体方向图 图1.3.1 b 垂直面方向图 图1.3.1 c 水平面方向图
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
2. RFID天线基础知识
（3）天线方向性增强 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生 “扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面 方向上。 下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个 垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。
二、 RFID技术之频谱基础知识
5.国际RFID技术特点及相关管理规则
从应用的趋势来看，现代物流业、商品零售业会广泛应用RFID技术， 为什么UHF频段的RFID技术会成为全球热点?主要有以下几个需考虑的因 素(见表2-2所示)。
二、 RFID技术之频谱基础知识
6.国际RFID技术特点及相关管理规则
二、 RFID技术之频谱基础知识
2.电磁波谱
波长电磁波的产生机理和应用领域常常有很大区别。因此人们常 把各类电磁波按波长大小依次排成一列,称为电磁波谱。若按其波长 从大到小依次排列,有: r射线、X射线、紫外线、可见光(紫、青、蓝、 绿、黄、橙、红)、红外线、无线电波(微波、超短波、短波、长波) 等。由于它们的性质各不相同,因而也有许多不同的用途。
二、 RFID技术之频谱基础知识
4. RFID工作频率的分类
3）超高频 (Ultra High Frequency) 使用频段在433~950MHz之间，以433MHz、868~950MHz最为常见 优点： 读取距离较远、传输速率较快、可同时读取辨识大量卷标、 天线可用蚀刻或印刷方式制造。 缺点： 在金属和液体的物品上读取率不佳，主要用于铁路车厢监 控、仓存管理。
智慧卡 图书馆管理 商品管理
铁路车厢监控 仓存管理
道路收费系统
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二、 RFID技术之频谱基础知识
射频识别系统工作频段
二、 RFID技术之频谱基础知识
射频识别系统工作频段如表2-1所示。并非表2-1中的所有频率在射频识 别中都得到了广泛应用，主要采用的RFID频率为有以下四个： 13.56±007MHz，915±13MHz，2450±50MHz，5800±75MHz。
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433MHz 868~950MH z
被动/主动式 部分 3~10m 10mW~4W 新技术 微波共振
二、 RFID技术之频谱基础知识
卷标比较表-使用频率（续）
低频(LF) 价格 环境影响 低 X 高频(HF) 中 金属 超高频(UHF) 高 潮湿 微波 (Microwave) 高 潮湿
数据传输率 内存(Bytes)
抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集 中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括 两个基本要素：抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上
2. RFID天线基础知识
（4） 增益
增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同 一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐 射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小， 增益越高。 可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产 生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输 入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只 需 100 / 20 = 5W . 换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来 说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。 半波对称振子的增益为G = 2.15 dBi ; 4个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源) 。 如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd . 半波对称振子的增益为G = 0 dBd （因为是自己跟自己比，比值为1，取对数 得零值。） ； 垂直四元阵，其增益约为G = 8.15 – 2.15 = 6 dBd .
图2-4各种通信 介质使用的电 磁波谱范围
二、 RFID技术之频谱基础知识
3.电磁波的频谱的划分与分配
图2-5为1959年日内瓦会议制定的将世界划分为三个频率分区 示意图。1区为欧洲和非洲；2区为北美洲和南美洲；3区为亚洲和澳 洲，国际电信联盟的总部设在瑞士的日内瓦。
图2-5 ITU世界 频率分区
《RFID 技术基础 》教学设计
主要内容
一、案例识读与分析 二、RFID技术之频谱基础知识 三、 RFID技术基础之天线的基本知识 四、实训与实践
一、案例识读与分析
无形的战略资源——无线电频谱资源的战略意义
案例分析与讨论：
无线电频谱资源
（1）列举我们日常生活中的无线电主要应用？ （2）无线电频率作为无形的战略资源，对国民经 济的发展起到怎么的作用？
立体方向图
垂直面方向图
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了 反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。
平面反射板
全向阵 （垂直阵列
不带平面反射板）
扇形区覆盖 （垂直阵列 带平面反射板）
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
1. RFID天线概述
电子标签和读写器通过各自的天线构建起二者之间非接触信息传输通道，如 图2-7所示。无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线或藕合线圈： 一方面，无源的射频标签芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的 电磁场中获得足够的能量；一方面，天线决定了射频标签与读写器之间的通讯信 道和通讯方式，天线在射频标签与读写器实现数据通讯过程中起到了关键的作用！
图1.1 a
图1.1 b
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
2. RFID天线基础知识
（2） 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振 子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对 称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为 二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见 图1.2 a 。 另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一 个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称 为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合 振子, 见 图1.2 b 。
1/4波长
1/2波长
1/4波长
对称振子
图1.2 a
图1.2 b
三、 RFID技术基础之天线的基本知识
2. RFID天线基础知识 （3） 天线方向性的讨论 型 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空 间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐 射。 垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形 的立体方向图（图1.3.1 a）。 立体方向图虽然立体感强，但 绘制困难， 图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方 向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图 1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射 方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个 方向上的辐射一样大。