UHF RFID标签解读 

2011-04-16 10:55:50来源: RF社区

    UHF频段的反向散射RFID系统是根据电磁波的反向散射原理工作的,无论是无源标签还是有源标签,标签中存贮数据的读取过程都是依靠标签天线将接收到的电磁波进行反向散射调制来完成。
因此,探讨反向散射灯ID的电磁场理论基础是对研究阅读器和标签之间的能量和数据传输非常必要的,下面从标签天线的辐射、接收和散射等三方面来探讨反向散射RFID技术的电磁场理论基础,并建模仿真两种实际应用的标签结构来验证标签的性能主要决定因素。

    标签天线的辐射与接收

    UHF频段的反向散射即ID系统是一个典型的无线通信系统。对于标签来说,它既要有效地接收阅读器发射来电磁波,又要有效地向阅读器反射回电磁波。而电磁波的发射和接收需要通过标签的天线来完成。标签天线主要有偶极子天线、折叠偶极子天线、变形折合天线等。所以我们有必要首先以电流元的辐射发射特性来深入研究天线的发射和接收,然后分析天线的各项电参数,这些是进一步研究UHF频段标签天线原理的必要基础。


图1:标签的构成,chip(芯片),strap(连接带),antenna(天线),laminate(基片)


    根据天线的结构形式,一般将其分为两大类。一类是由导线或金属棒构成的天线,称为线状天线或线天线;另一类则是类似声学或光学设备;由金属圆面或介质圆面构成的天线,称为面状天线或面天线。在RFD标签天线中主要采用线天线。

    然而无论是线天线或面天线,都可以分割为无限多个基本元,在这些基本元上载有交变高频电流或磁流。在每一个基本元上的电磁流的振幅、相位和方向均假设是相同的。这样一具体天线则由这些基本元按一定的结构形式拼接而成。当然,各个元上的电磁流的振幅、尺寸以及方向可能是不相同的具体的分布形式由天线的几何形状尺寸以及激励条件所决定。根据基本元的辐射特性,可按电磁场的叠加原理得出各类天线的辐射特性。

    基本元的类型可以分为三类。一类是电流元,元上载有交变电流,又称之为电基本振子;第二类为磁流元,又称为磁基本振子,元上载有交变磁流;根据电磁场对偶性原理,磁基本振子的辐射场可从电基本振子的辐射场对应得出;第三类为面基本元,依据等效原理可将面元上的磁场与电场分别用等效电流元和等效磁流元来代替,这样可以用电基本振子和磁基本振子的结果而得出面元的辐射特性。


                          图2:标签与阅读器的电磁耦合
    天线的散射过程可用发射天线T、散射天线S和接收天线R构成的线性三端口网络系统来描述(如图3),并通过网络分析方法求出接收天线R处散射场ES的表达式。天线的散射通常包括两个部分:一部分是与散射天线负载情况无关的结构项散射场,它是由于入射平面波在天线结构上的感应电流或位移电流所产生的散射场,其散射机理与普通散射场机理相同,另一部分则是随天线负载情况而变化的天线的模式项散射场,其是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场,这是天线作为一个加载散射体而特有的散射。


         图3:由发射、散射和接收天线构成的三端口网络

    标签的芯片一般可以实现三种阻抗变化:一种是开路,一种是短路,另一种是匹配负载。在大部分情形下,标签采用短路和匹配负载两种状态来分别代表0和1两种信息位。在这两种状态下,标签天线的反射系数F会相应的做出改变。从而对标签RCS值产生显著影响。这样如果标签的RCS很大,而且在短路和匹配负载两种状态下的RCS变化值很大,很显著的结果就是增加标签的可读性。这也是从根本上提高标签性能的方法之一。


                        图4:调制的雷达散射截面的变化说明


    当标签天线负载阻抗Z:与天线的输入阻抗完全匹配时,天线接收到的能量被完全吸收,并且r=O,所以此时标签天线的散射截面只由天线结构项散射截面∂S构成。当天线短路时,即ZL=O时,则天线接收到的功率全部被天线反射出去,也就是r=一1,此时标签天线的散射截面由天线结构项散射截面∂S和天线模式项散射截面∂e构成。当天线开路时ZL=∞,r=1,此时,天线模式项散射截面∂e为负,所以天线的总散射截面为最小值,不利于识别,因此大多数情况采用匹配负载和短路两种情形。

    因此散射截面的变化与负载电阻及有关。RFID系统正是利用这一特性,通过芯片内存储的数据信息来控制天线负载的变化也就是RCS的变化,从而将电子标签存储的数据信息调制到反射的电磁波中并发送到阅读器中,实现了数据的读取过程。电子标签中的可变负载要随着传输数据流的节拍变化,这样,散射截面面积实际上被芯片存贮的数据流调制。因为由电子标签反射的信号功率是由数据调制决定的,所以这种调制相当于通信原理中的幅移键控(ASK)。

               图5:Tag Angular Sensitivity

关键字:UHF  RFID  标签解读

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0416/article_5428.html
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