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

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ｌ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。

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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。

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＠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。

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