无芯片RFID标签的研究与设计

南京理工大学硕士学位论文无芯片RFID标签的研究与设计姓名：杨素素申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：沙侃;陈如山20100601硕士论文无芯片ＲＦＩＤ标签的研究与设计标签定购量达到１亿枚，其ＲＦＩＤＧｅｎ２标签价格就可以降到５美分／枚。

而很明显，暂时没有哪家公司的用量有这么大。

而同时，一些机构预测：ＲＦＩＤ标签的市场潜能非常大，预期到了２０１２年达到三四十亿美元，但是目前仅是冰山之一角。

而标签的价格，大概还要另外五年到七年时间，才可能如人们预期的，降到每个５美分。

就如前面所介绍的，推广ＲＦＩＤ技术的商业应用，降低标签的价格是非常关键的，这其实意味着标签必须是无源的。

一般意义上的无源标签都包含有天线和芯片，由于标签芯片、标签天线及其装配封装等因素的严格要求，造成某些种类的射频标签成本居高不下，尤其是能够适合远距离、无源、可读写、多标签识别等应用要求的射频标签。

所以越来越多的射频工程师把目光投向无芯片ＲＦＩＤ这一概念。

在出现的一些无芯片ＲＦＩＤ标签的设计中，最早出现的是基于声表面波（ＳＡＷ）的无源ＲＦＩＤ标签ｆ４】。

以ＲＦＳＡＷＩｎｃ公司为代表的声表面波ＳＡＷ（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）射频标签以ＳＡＷ器件为核心，克服了ＩＣ芯片工作时要求直流电源的缺陷，同样实现了射频标签的数据保存功能以及通过无接触空间无线信道将保存的标签信息传回阅读器的目的。

ＳＡＷ射频标签采用铌化锂晶体作为声表面波器件的基底材料，工作频率范围在１．７ＧＨｚ～２．５ＧＨｚ，每个标签具有不可更改的唯一标识的ＩＤ。

天线接收到的射频能量信号经ＳＡＷ标签内部的变换器后形成激荡ＳＡＷ贮存数据条纹的脉冲，ＳＡＷ激励脉冲经贮存数据条纹图形反射后形成数据脉冲，数据脉冲再经过变换器体现为天线负载调制，阅读器通过解调反射的负载调制信号提取ＳＡＷ射频标签的数据。

此外，以低成本为特征的无芯片射频标签也开辟了射频标签实现的另一新领域。

无芯片射频标签的特点是超薄、低成本，存贮数据量少。

Ｊａｌａｌｙ提出一种无芯片ＲＦＩＤ标签１５Ｊ，它包含了１１个具有不同振子间距的的印刷偶极子天线阵，利用工业、科学、医疗（ＩＳＭ）的多个频段，创建了一个ｌｌｂｉｔ的实用条形码。

利用同样的原理ＭｃＶａｙ提出了一个覆盖３００ＭＨｚ频带的５ｂｉｔＨｉｌｂｅｒｔ－Ｐｅａｎｏ曲线ＲＦＩＤ标签【６】，由于分形曲线的空间填充使它结构更加紧凑。

１．４本课题的意义与主要内容１．４．１选题的意义普通的射频标签都包含有射频标签天线以及标签电路。

由于标签芯片、标签天线及其装配封装等因素的严格要求，造成射频标签成本居高不下。

现今唯一ＲＦＩＤ标签没能取代条形码的原因就是ＲＦＩＤ标签的成本相对于条形码来说仍然很高。

无芯片ＲＦＩＤ标签由于没有ＩＣ芯片，成本通常大大低于芯片ＲＦＩＤ。

利用印刷技术，无芯片ＲＦＩＤ可以批量生产，更加降低了成本，大规模应３ｌ绪论硕士论文用于射频识别市场已经指日可待。

１．４．２本文的内容安排本文的主要工作是完成对低成本，小尺寸ＵＩ－ＩＦ及ＳＨＦ频段的无芯片ＲＦＩＤ标签的工作原理分析和结构设计。

本文的主要工作有：１．设计一种基于相位编码的无芯片ＲＦＩＤ标签。

它由三个正方形的微带贴片天线构成，每个天线都加载了开路微带传输线，即加载微带贴片天线（ＳｔｕｂＬｏａｄｅｄＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰａｔｃｈＡｎｔｅｎｎａ．ＳＬＭＰＡ）。

三个天线有邻近的谐振频率，当受各自的谐振频率激励时，反射回带有不同相位特性的反向散射信号，即完成了对反向散射信号的相位调制。

根据反向散射信号不同的相位特性，每一个标签可设计成一个唯一不可变的ＩＤ。

２．设计一种基于多阻带螺旋滤波器的无芯片ＲＦＩＤ标签。

它包括一个接收天线，多阻带滤波器和一个发送天线。

阅读器发射机发出一个多频信号至标签，无芯片标签中的多阻带滤波器把特定频率的信号变弱，从而创建了频谱，每一个标签拥有唯一的频谱特性也就意味着有唯一的ＩＤ。

接收天线和发送天线极化方向正交，极化分集隔离了收发信号，最大地减小了访问信号和反射编码信号之间的干扰。

３．设计一种基于多谐振偶极子天线的无芯片ＲＦＩＤ标签。

该标签简化到只有两个天线的结构，一个水平极化的ＵＷＢ圆盘单极子天线连接到一个垂直极化的多谐振偶极子天线。

多谐振偶极子天线作为该无芯片标签中的编码元件起到重要的作用。

这两个天线极化方向正交，极化分集隔离了收发信号。

４硕Ｌ七论文无芯片ＲＦＩＤ标签的研究与设计２ＲＦＩＤ技术的基本原理２．１ＲＦＩＤ系统的组成图２．１．１为ＲＦＩＤ系统组成原理图，其中包括了标签（Ｔａｇ）、阅读器（Ｒｅａｄｅｒ）和数据处理系统。

对整个ＲＦＩＤ系统而言，阅读器与标签通过电磁波进行数据交换，其数据链路包含了数据的调制／解调制、编码／解码、仿碰撞算法以及相关的协议标准等。

ＲＦＩＤ技术的基本原理就是将ＲＦＩＤ标签安装在被识别的物体上，当被标识的物体进入ＲＦＩＤ系统的阅读范围时，利用空间电感耦合或者电磁耦合进行通讯，实现标签和阅读器之间的非接触式信息通讯，标签向阅读器发送携带信息，阅读器接收这些信息并进行解码，通过串口ＲＳ２３２或ＲＳ４８５，将阅读器采集到的数掘实时送入计算机数据处理系统，并通过网络传输给服务器，从而完成信息的全部采集与处理过程，以达到自动识别被标识物体的目的。

服务器计刃算Ｒ￥２３２叼机／４８５０处阅理读系器缩劫蚕丝量，、＠国＠国图２．１．１射频识别系统原理图２．１．１标签标签（ｔａｇ）是ＲＦＩＤ系统真正的数据载体，其主要作用是存储唯一的数据信息０Ｄ），把自己与周围其它标签区别开来，并与阅读器之问实现通信。

它的最主要特征即是其工作频率，它不仅决定了ＲＦＩＤ系统的工作原理，还决定了阅读器实现的难易程度和成本。

一般意义上的标签由天线和用于存储有关标识信息电子芯片组成。

标签的基本组成如图２．１．２所示。

５２ＲＦ［Ｄ技￥∞基｛Ⅲ理硕十论文芯片图２１＿２标签的基本结构这里将ＲＦＩＤ标签分为有源、半有源、无源、无芯片四类。

１有源标签：内部装有电池，一般具有较远的阅读距离最远甚至可以达到２４ｍ［９］，不足之处是电池的寿命有限，大多为３—１０年，在实际应用中需要不断进行维护并且有一定的失效率，其成本也就相对较高，一旦电池失效，标签即丧失功能，一般应用在对性能要求较高、读写距离要求较远的场合。

２半有源标签：与有源标签类似，内部设有电池，通常情况下可以作为有源标签使用】０年以上，在电池耗尽后可以继续作为无源电子标签使用，从而进一步降低成本，延长了标签的使用寿命，并节省了资源。

有源工作条件下，其工作距离大于１０ｍ，在无源条件下，其距离为３。

５ｍｌＩｑ，可以有效替代有源标签。

３无源标签：内部没有电池，所需的工作能量需要从阅读器发出的射频波束中获取，经过整流、存储后提供电子标签所需的工作电压，而标签通过负载调制或反向散射的方式与阅读器实现通信。

尽管在阅读距离等方面会受到一定的限制，但与有源标签相比，无源标签具有较为低廉的成本以及广泛的适应性，使其在物流、车辆管理、仓储管理、零售业等领域有着广泛的应用，其工作距离一般不会超过１０ｍ【Ｉ”，４无芯片标签（ｃｈｉｐｌｅｓｓｔａｇ）Ｉ”ｌ：它是无源标签中的新成员，内部没有Ｉｃ电路，每个无芯片标签都会以反向散射方式反射回带有不同特征的反向散射信号，此特征可作为唯一的Ｄ由阅读器解码识别。

它的特点是超薄、低成本，存贮数据量少。

作为ＲＦＩＤ标签实现的一个新领域．有很重要的研究价值。

２．１．２阅读器阅读器（Ｒｅａｄｅｒ）是整个ＲＦＩＤ系统中重要的组成部分之一，它是读写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取或写入信号，并接收标签的应答，对标签的标志信息进行解码，将标志信息传输到计算机处理系统以供处理。

阅读器包括天线、射频模块和控制单元。

此外，阅读器还应与有计算机连接的通信端口，一边将读取的信息送往计算机处理或者从计算机获得要写入电子标签的数据。

它的系统组成“３１如图２１３所示。

园黝茴，【、硕上论文无芯片ＲＦＩＤ标签的研究与设计能量时钟＝圈数据输入图２．１．３阅读器组成框图阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编解码；为精简电子标签芯片控制电路设计还可以执行防冲突算法；对电子标签和阅读器问要传送的数据进行加密和解密，以及进行电子标签和阅读器间的身份验证等附加功能。

射频模块主要通过无线射频自动捕获电子标签中的数据，完成收发信号的调制与解调。

根据所支持的标签类型不同以及所完成功能的不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。

ＲＦＩＤ阅读器设计将向多功能、多借口、多制式，并向模块化、小型化、便携式、嵌入式等方向发展。

同时，多阅读器协调与组网技术也将成为未来发展方向之一。

未来阅读器的价格将大幅降低，并支持多个频点，能自动识别不同频率的标签信息。

２．１．３计算机处理系统在ＲＦＩＤ系统中，计算机处理系统主要用于实现与阅读器之问的通信功能，阅读器可以通过ＲＳ２３２／４８５等标准接口与计算机处理系统进行通信，进而通过有线或无线通信网络与服务器进行连接，通过服务器对数据进行记录并实现对数据库的管理，从而构成一个完整的信息管理平台。

２．２ＵＨＦＲＦＩＤ系统工作原理ＵＨＦＲＦＩＤ技术无疑是ＲＦＩＤ技术所有频段应用最为广泛、用量最大的领域。

本节介绍一下ＵＨＦ频段ＲＦＩＤ系统的工作原理。

ＲＦＩＤ技术是通过无线信号来对目标实现识别的。

阅读器和标签通过各自的天线构建起二者之间的空间信息传输通道。

这种信息传输通道的性能完全由天线周围电磁场特性决定的。

ＲＦＩＤ技术作为一种无线传输技术，其天线的电磁传播特性是ＲＦｔＤ技术的基本原理。

７２ＲＦＩＤ技术的基本原理硕士论文２．２．１电磁场基本原理和天线辐射理论无线通信中，信息通过电磁波进行传输，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电场，Ｍａｘｗｅｌｌ方程描述了空间每一点上每个时刻的电场和磁场情况。

交变的电磁场用频率为∞的正弦形式来表示时，＋可以得到以下的关系㈣：ＶＶＶ飞Ｅ＝－ｊｃｏｐＨＨ＝Ｊ—ｊ毗云：０Ｄ＝ｐ（２．２．１）其中，ｐ，￡分别为媒质的磁导率和介电常数，歹、ｐ为产生电磁场后、膏的源。

电荷和电流的连续性方程为：ｊｃｏｏ＋Ｖ·Ｊ＝０（２．２．２）单位平面上电场和磁场的发送的平均功率可以用玻印廷矢量来表示：Ｓ＝去Ｒｅｆ豆×豆‘ｌ（２．２．３）二因为在ＵＨＦＲＦＩＤ系统中，阅读器时通过天线将能量和信息发送给标签，而标签也是通过天线从其所处的电磁场中接收来自阅读器的能量和信息，并通过调制反射的方式将信息通过天线返回给阅读器。

利用麦克斯韦方程对天线辐射理论进行推导，可以获得天线辐射场的近场和远场模型，从而对ＵＨＦＲＦＩＤ的基本工作原理进行分析。