《RFID期末复习总结原理与应用-(第三章) RFID天线技术)
第三章 RFID天线技术
1、天线概念
- 用于发射和接收无线电波的装置和设备
2、天线分类
- 波段:长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线
- 结构:线性天线、面性天线、缝隙天线、微带天线
- 用途:广播天线、通信天线、雷达天线、导航天线RFID天线
3.天线研究方法
- 解析、数值解、仿真法
4、对RFID天线的一般要求
- 电子标签天线: 小,易于附着/嵌入,标签的方向性,提供最可能的信号,与读写器匹配的无向性, 灵活性、可靠性、适当的频率和带宽、鲁棒性、低成本
- 读写器天线:低剖面,小型化、多频段覆盖、分离式读写器的天线阵设计
5.天线极化
- 固定位置标签:线极化
- 方向不明:圆极化
- 方向:无线天线,有向天线
6.天线阻抗
芯片的输入阻抗与天线的输出阻抗相匹配 当芯片输入电阻等于天线内阻时,负载可获得最大输出功率
7、RFID天线设计步骤
(1)确定参数 (2)确定材料 (3)确定结构 (4)确定阻抗 (5)天线参数综合优化 (6)用网络分析仪检测天线的指标
8.低频天线技术:电感耦合
9.微波天线技术:电磁辐射
- 特点:
- 天线结构多样
- 大多附着在柔软的基板上
- 天线尺寸决定标签尺寸
- 易小型化
- 可批量生产
- 天线的可扩展装置
- 设计:弯曲偶极子天线
- 微带天线:平面天线
- 阵列天线:多个天线单元排列
- 非频变天线
10、RFID天线制造工艺
线圈绕(125-134)kHz)、蚀刻法、印刷法(导电油墨)
11、导电油墨
印刷法使用导电油墨印制导电线路 导电油墨具有成本低、导电性好、无污染、使用时间短等特点
12、射频前端
实现射频能量和信息传输的电路
13.从标签到读写器的通信和能量感应模式
电感耦合(高、低频、近距离):电感定律 电磁反向散射耦合(超高频微波) (1)电感耦合RFID系统:电磁波的空间传播规律 10-20cm(<1m)
- 1)阅读器天线电路:串联谐振电路(主)、并联谐振电路、耦合电路
- 阅读器天线设计要求:
- 产生最大磁通量的天线圈电流最大
- 功率匹配
- 足够的带宽
- 串联谐振回路特性:
- 谐振时,电路电抗X=0,阻抗Z=R为最小值,为纯阻
- 谐振时,电路电流最大,与Vs同相
- 电感等于电容器两端电压的模值,相当于外部电压的Q倍
- 电压谐振,电压放大Q倍
- 品质因数Q:
- 与带宽相比,表示共振频率的大小
- 电感线圈半径:
- 磁感应线圈半径a一定时,距离线圈中心0.7.7a磁场强度最大
- 阅读器天线设计要求:
- 2)电子标签天线电路:
- 并联谐振电路
- 电子标签天线上的感应电压最大,使电子标签线圈输出最大电压
- 功率匹配
- 足够的带宽
- 并联谐振电路特性:
- 谐振时,电路电抗X=0,阻抗Z=R纯阻是最大值
- 谐振时,电路电流最小,端电压最大
- 支路电流是总电流的Q倍
- 并联谐振电路
- 3)阅读器与应答器之间的电感耦合:
- 在电感耦合工作模式下,电子标签必须靠近读写器才能工作
- 4)数据传输: 负载调制技术用于将应答器传输到读者的信息 1.电阻负载调节是一个调节过程 2.电容负载调制是用额外的电容器代替调制电阻。此时,读写器线圈的电压不仅会改变振幅,还会改变相位
- 5)反向散射耦合RFID系统
- 超高频和微波,读写器、应答器和天线构成收发通信系统
- 信息传输:负载调制
- 过滤器、放大器、振荡器、混频器
14、电子标签分类
- 利用物理效应:一位电子标签、声表面波技术的标签
- 使用电子电路:具有存储功能的标签和微处理器标签
15.电子标签(比特电子标签)
组成:标签、读写器、去激活器(独有) 原理:L-C振荡回路 1.调整标签频率fR 2.读写器发出;频率为;fG的交变磁场 3.标签移近读写器,即感应磁场 4、fR=fG标签产生谐振。由感应电流激发的感应磁场对外部磁场产生反应,即交替磁场减弱 5.读写器确定有标签 常见的电子标签:软标签、硬标签
16.声表面波技术
传播速度慢,工业生产方便,性能稳定
天线、压电基底、叉指换能器(1套)、反射器(1套) 高频信号输入叉指传感器,刺激声表波 反射器反射声波,使同一组叉指传感器相互转换声波-电信号 具体组合规律的反射器->携带特定编码信息的反射信号
17、SAW电子标签
- 读取范围大,可靠
- 同种类产品均可使用
- 芯片与天线匹配简单,工艺要求低
- 可识别高速移动物体 受环境影响小
18、含有芯片的电子标签
以集成电路芯片为载体 使用最广泛的电子标签 构成:天线、射频前端、控制电路
19、控制电路
-
具有存储功能,不含微处理器
-
含有微处理器
-
1)具有存储功能的电子标签
- 控制部分构成:地址与安全逻辑、存储器
- 特点:利用状态机在芯片上实现寻址和安全逻辑
- 地址与安全逻辑:通过状态机控制所有的过程和状态
- 构成:电源电路、时钟电路、I/O寄存器、加密部件、状态机
- 状态机:能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移
- 能够跟踪某个内部状态
- 收到外部事件后采取特定的操作响应事件
- 更新状态
- 存储器:
- 分类:只读电子标签、可写入电子标签、能加密的电子标签、分段存储的电子标签
- 分级密钥:系统有多个密钥,权限不同对应不同的子系统
- 案例:公交卡
- 拥有密钥A和B
- 公交车读写器使用A配对,只允许扣除金额
- 充值点读写器使用B配对,允许充值
-
2)含有微处理器的电子标签
- 微处理器、随机存储器、数据存储器、程序存储器、操作系统、MIFARE技术
20、比较IC卡与ID卡的不同
IC卡,指的是集成电路卡,是将芯片按照符合的规范和要求,封装集成后的智能卡。可读写,容量大,数据记录可靠,使用方便。 ID卡全称身份识别卡,是一种不可写入的感应卡,含固定的编号。 IC卡出厂时即生成密钥,ID卡与磁卡一样,都仅仅使用了“卡的号码”而已,卡内除了卡号外,无任何保密功能,其“卡号”是公开、裸露的。所以说ID卡就是“感应式磁卡”,也就根本谈不上需要还是不需要初始化的问题。
21、读写器
1)给标签提供能量 2)实现与电子标签的通信 3)实现与计算机通信 4)实现多个电子标签识别 5)实现移动目标识别 6)具备数据记录功能
读写器对数据载体的访问应该是尽可能透明的
1、读写器先发言(RTF) 2、标签先发言(TTF)
1)电子标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态 2)电子标签进入读写器的作用范围时,检测到一定特征的射频信号,便从“休眠”的工作状态转到“接收”状态 3)接收到读写器发送的指令后,进行相应的处理 4)然后将结果返回读写器
应用软件和读写器之间,应用软件为主动方。
RTF方式中,读写器和标签,读写器为主动方。
- 硬件:天线、射频模块、控制模块、接口
- 软件
- 控制模块
- 组成:ASIC组件、微处理器
- 功能:
- 与应用软件通讯,执行接收的命令
- 控制与电子标签的通信
- 信号的编解码
- 与标签通信的加密解密(ASIC)
- 与标签之间的身份验证
- 射频模块包括:发送电路和接收电路
- 发送电路:处理控制模块提供的数字信号,通过天线发送
- 接收电路:对天线收到的信号解调,恢复数字信号,传递给控制模块
- 接口:读写器的控制模块与应用软件之间的数据交换媒介
1)激活电子标签 2)向电子标签发出指令 3)接收来自电子标签的信息
读写器天线所形成的电磁场范围就是RFID系统的可读区域
读写器的结构形式:固定式、便携式
主要工作频率:125kHz 例:考勤系统、汽车防盗系统、U2270B U2270B芯片内部构成:振荡器、天线驱动器、供电电路、调频电路、滤波电路、输出控制电路 主要工作频率:13.56MHz 例:二代身份证、电子车票 通信链路信号分析(基于ISO 18000-6B):
- 前向信号:
- 读写器->电子标签
- 曼彻斯特编码
- ASK调制方式
- 后向信号:
- 电子标签->读写器
- FM0编码(差动双相码)
类二进制树算法 标签状态:掉电、准备、识别、交互 所有“识别”状态,技术其=0的标签发送识别码 如有一个以上标签发送,读写器发送Fail指令 所有接到Fail指令的标签: 计数器不等于0:计数器+1 计数器等于0:随机产生一个1或0的数(加数) 产生的如果是1,计数器加1 产生的如果是0,计数器不变。这类标签再次发送识别码 1)仍有多个标签:重复步骤2 2)所有标签都不发送(计数器不等于0):阅读器发Success指令,大家全部减1,为0的发送识别码 3)只有一个标签发送,正确接收:进入数据交互状态。完成后读写器发success指令使其他“识别状态”标签计数器减1 4)只有一个标签发送,不正确接收:读写器发resend指令
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