第二章 RFID技术的工作原理

射频识别技术
RFID Technology
第二章 RFID技术的工作原理
第二章 RFID技术的工作原理 RFID技术的工作原理
1、RFID系统的基本工作原理 2、RFID系统的工作模型 3、RFID系统的工作流程 4、RFID系统的耦合方式 5、RFID相关电磁场理论
RFID技术的工作原理 第二章 RFID技术的工作原理
第二章 RFID技术的工作原理 RFID技术的工作原理
（1）以能量供给为基础的工作模型 • 对于无源电子标签来说，电子标签正常工作所需要的 能量是由阅读器供给的，当标签进入阅读器的工作范 围内以后，标签收到阅读器发送的信号，产生感应电 流从而激活内部的电路，内部整流电路将射频能量转 化为电能，将该能量存储在标签内部的大电容里，进 而为其正常工作提供了所需的能量。 • 对于半有源电子标签来说，阅读器发送的射频信号只 用来激活标签。对于有源电子标签来说，只要标签处 于阅读器的工作范围以内，就可以主动向阅读器发送 信号。
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（1）工作原理 ） • 电磁反向散射耦合方式采用雷达原理模型，依据 的是电磁波的空间传播规律。 • 随着电磁波频率的上升，信号的穿透性降低，反 射性增强，所以该方式一般适合于超高频和微波 频段的RFID系统，标签工作时离阅读器较远，既 可采用无源标签也可采用有源标签。 • 电磁反向散射耦合式系统工作原理如下图所示。
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3、RFID系统的工作流程 RFID系统的工作流程
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4、RFID系统的耦合方式 RFID系统的耦合方式
在RFID系统中，读写器与电子标签之间能量与数 据的传递都是利用耦合元件实现的，RFID系统中 的耦合方式有两种： • 第一种是电感耦合式 • 第二种是电磁反向散射耦合式。
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5、RFID相关电磁场理论 、 相关电磁场理论
• 电磁场有两种形式，一种是静态场，一种是交变场。 • 在静态场中，场是随着场源的改变而改变的，场源在场 就在，场源消失场就随着消失。 • 交变场则不同，在交变场中，电磁波一旦产生以后，就 算波源消失了，电磁波也可以不断地向外传播。而交变 场又可以划分为两个部分，一部分是非辐射场，一部分 是辐射场。 • 在非辐射场中，电磁能量只在场源附近来回流动，不会 向外辐射。 • 而在辐射场中，电磁能量会脱离场源的束缚，并作为电 磁波的形式向外传播。其中非辐射场又称为感应场或电 抗场。
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（2）数据传输原理 ）
负载调制的原理图如下所示：
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4.2 电磁反向散射耦合式系统
• 雷达技术为RFID的反向散射祸合方式提供了理论基 础。 • 雷达天线发射到空间中的电磁波会碰到不同的目标 ，到达目标以后，一部分低频电磁波能量将被目标 吸收，另一部分高频能量将以不同强度散射到各个 方向，其中，反射回发射天线(发射天线也是接收天 线)的部分称为回波，回波中带有目标信息，可供雷 达设备获知目标的距离和方位等。下面介绍一下电 磁反向散射耦合式系统的工作原理与能量传递。
图 4-6 电子标签的等效电路图
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（1）工作原理 ） • 这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为：
S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2
• 式中，s(t)为标签接收到的信号。 • 当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时，可以形成不 同的反向散射调制方式，使得标签返回的能量和进入标 签的能量具有不同的特性。 • 以下为四种情况：
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（2）能量传递 ）
λ2 Ae 其中Gtag表示电子标签接收天线的增益， = ⋅ Gtag 将（1） 4π
式代入（2）式可得：
Ptag P ⋅G λ2 λ = ⋅ Gtag ⋅ Tx 2Tx = Gtag ⋅ PTx ⋅ GTx ⋅ 4π 4πR 4πR
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（1）工作原理
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（1）工作原理 ） • 电磁反向散射耦合式系统数据传输方式是反向散射调制， 电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，Za 表示天线的阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制 背向反射载波的目的，Z1有两种状态，分别为Z11和Z12。 • 当标签需要发送的信息为 二进制数“1”时，芯片的 Z1 阻抗状态为Z11； Vs 当标签需要发送的信息为 二进制数“0”时，芯片的 Za 阻抗状态为Z12。
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（2）以时序方式完成数据传输的工作模型 ） • 时序问题也就是指阅读器和电子标签之间的工作顺序问 题。RFID系统中存在着两种工作模式，其中一种是阅读 器先发言模式（RTF, Reader Talk First），另外一种 就是电子标签先发言模式（TTF, Tag Talk First）。 • 阅读器先发言模式是说如果阅读器不主动激活电子标签 的话，电子标签不会向阅读器发送信号，而电子标签先 发言模式则是就算阅读器不激活标签，标签也会主动向 阅读器发送信号。系统中的标签如果是无源标签，则通 常需采用阅读器先发言模式。如果需要同时对多个标签 进行识别，则可以工作于阅读器先发言模式，也可以工 作于标签先发言模式。
1、RFID系统的基本工作原理 、 系统的基本工作原理
• • 标签与阅读器利用各自携带的天线构筑了一条两者之间 进行数据传递的非接触式的通道。 当标签处于阅读器的工作范围内时，阅读器利用自身的 天线发送射频信号，标签天线收到信号以后会产生感应 电流，从而激活内部的电路向阅读器回送信号（无源标 签），或者主动向阅读器发送信号（有源标签）； 阅读器收到信号以后，对接收到的信号做一些必要的处 理，然后将处理后的数据上传到控制系统进行下一步的 处理。
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RFID系统的工作模型 2、RFID系统的工作模型 RFID
• 在RFID系统工作过程中，一直以能量供给作为基础， 按照特定的时序方式来完成数据信号的传输。由此可 得，RFID系统工作中存在三种工作模型： （1）以能量供给为基础的工作模型 （2）以时序方式完成数据传输的工作模型 （3）以数据传输为目的的工作模型
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②电子标签到读写器的能量传递 读写器发送出去的能量经过一定的衰减后一部分被电子标 签吸收，一部分要反射出去。电子标签反射出去的功率 Pback与它的雷达散射截面σ成正比关系，则：
Pback = σ ⋅ S = σ ⋅ PTx ⋅ GTx 4πR 2
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（2）能量传递 ） ①读写器到电子标签的能量传递
读写器天线发射出去的电磁波是以球面波的形式向外空间 传播的，所以可以计算出距离读写器R处的电子标签的功 率密度S： PTx ⋅ GTx S= （1） 2
4πR
其中PTx表示读写器的发射功率，GTx表示读写器发射天线 的增益，R表示电子标签与读写器之间的距离。而电子标 签所能接收到的最大功率Ptag与读写器的发射功率S成正比 关系，即： λ2 （2） Ptag = Ae ⋅ S = ⋅ Gtag ⋅ S 4π
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① OOK调制方式 调制方式(On-Off Keying, OOK)。 调制方式 • 在该方式下，阻抗状态为1时，完全反射；阻抗状态为2时 完全匹配，而且这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位 相同。即： |S1|=1 |S2|=0 arg(S1)=arg(S2) ② BPSK调制方式 调制方式(Binary Phase Shift Keying, BPSK)。 调制方式 。 • 在该方式下，这两种阻抗状态有相同程度的失配，但是这 两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相反。 0< |S1|= |S2|<1 arg(S1)=—arg(S2)
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③任意调制因子的ASK（Amplitude Shift Keying, ASK）调制。 任意调制因子的 （ ）调制。 • 在该方式下，这两种阻抗状态有着不同程度的失配，但是这两 种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。 0< |S1|<|S2|<1 arg(S1)=arg(S2) • 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成任意调制因子 的ASK调制方式。 方式。 ④ PR-ASK（Phase Reverse Amplitude Shift Keying, PR-ASK ）方式。 （ • 该方式下，这两种阻抗状态有不同程度的失配，而且这两种阻 抗状态的下标签的反射系数的相位相同。 0< |S1|<|S2|<1 arg(S1)=arg(S2) • 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成相位相反的幅 度键控调制方式。
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5、RFID相关电磁场理论 、 相关电磁场理论
• 读写器和电子标签之间的通信是依靠各自的天线实现的 ，天线周围的电磁场特性决定了读写器与电子标签之间 的通信信道的性能。 • 根据相关电磁场理论可知，天线周围的交变电磁场可以 划分为非辐射场区和辐射场区，而辐射场区依照距离远 近又可以划分为辐射近场区和辐射远场区。 ①非辐射场区 • 在该场区中，场强与距离天线的远近有关，随着与天线 的距离不断增大，场强不断减小。一般情况下，距离天 线口径表面λ / 2π的范围内的区域就是非辐射场区。
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(3) 以数据传输为目的工作模型 • RFID系统中的数据传输也分为两种方式：阅读器向电子 标签的数据传输，称为下行链路传输；电子标签向阅读 器的数据传输，称为上行链路传输。下行链路传输又可 以分为在线写入和离线写入两种情况。 • 无论是哪一类电子标签都有离线写入这种情况。所有电 子标签在出厂之前都要由生产厂家将标签的ID号固化写 入，该ID号是标签的身份标识，是唯一的，一旦写入以 后将永远不能修改。对于在线写入这种情况而言一般是 指可写标签，具备可写标签的RFID系统，其内部结构更 为复杂，标签的成本也更高，因此大部分RFID系统中的 标签还是只读标签。
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4.1 电感耦合式系统工作原理 • 电感耦合式系统的工作模型类似于变压器模型。其中 变压器的初级和次级线圈分别是阅读器和电子标签的 天线线圈。 • 电感耦合式系统中的电子标签多为无源式，且这种系 统的效率不高，所以一般应用于功耗比较低的场合， 工作距离一般也比较近，在一米以内。 • 下面详细介绍一下电感耦合式系统的能量传输原理和 数据传输原理。
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（1）能量传输原理 ） 电感耦合式系统的构成如下图所示：
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（2）数据传输原理 ） • 电感耦合式系统中的数据传输方式是负载调制方式 ，其原理就是通过控制电子标签天线上的负载的通 断来改变阅读器天线的电压，从而实现对天线电压 的幅度调制。 • 实际工作中，利用数据来控制电子标签负载的通断 ，那么这些数据信息就能够从电子标签一端传输到 阅读器一端了。
（2）能量传递 ）
而距离电子标签R处的读写器的功率密度，也即电子标签 返回给读写器的功率密度Sback就可以由下式表示：
Sback = Pback σ ⋅ PTx ⋅ GTx = 2 2 4πR 2 4πR
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读写器接收到的功率PRx与它的接收天线的有效面积成正比 ，所以：
σ ⋅ PTx ⋅ GTx λ 2 PRx = Sback ⋅ Aw = ⋅ ⋅ GRx 2 4π 4πR 2