RFID技术详解

一、基本概念

概念

射频识别技术（RFID）又称电子标签、无线射频识别、感应电子芯片、非接触卡，是一种通过射频信号自动识别目标物体并获取相关数据的非接触自动识别技术。

RFID技术可以在各种恶劣的环境中工作，无需人为干预。

此外，它能同时识别高速运动物体和识别多个标签，操作方便快捷。短程射频产品不怕油渍、灰尘污染和其他恶劣环境，因此在这种环境下，它们可以代替条形码，例如跟踪工厂装配线上的物体。长距离射频产品主要应用于交通领域，其识别距离可达数十米，如自动充电或车辆识别等。

二、系统架构

根据功能的不同，RFID系统可分为边缘系统和软件系统。边缘系统主要完成信息感知，属于硬件组成部分。软件系统完成信息处理和应用。通信设备负责整个RFID系统的信息传输。

RFID系统的基本组成：电子标签、读写器、控制器、读卡器天线、通信设施。

电子标签

电子标签又称应答器或智能标签，是一种主要由内置天线和芯片组成的微型无线收发器。

读写器

读写器是一种捕捉和处理RFID标签数据的设备，可以作为一个单独的或嵌入到其他系统中。读写器也是RFID系统的重要组成部分之一，它的名字来源于它可以将数据写入RFID。读写器的硬件通常由收发器、微处理器、存储器、外部传感器/执行器、报警输入/输出接口、通信接口和电源组成。

控制器

控制器是读卡器芯片有序运行的指挥中心。其主要功能：

与应用系统软件通信；
执行应用系统软件发出的动作指令；
控制与标签的通信过程；
基带信号的编解码；
实现防碰撞算法；
对读取器和标签之间传输的数据进行加密和解密；
实现读卡器与电子标签之间的身份认证；
控制其他外部设备，如键盘和显示设备。
控制读卡器芯片的操作（最重要的）。

读卡器天线

天线是以电磁波的形式接收或辐射前端射频信号的装置。它是电路与空间的接口器件，用于实现导波与自由空间波能量的转换。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和阅读器天线，分别承担接收能量和发射能量的功能。读卡器天线的特点是：

小到可以依附于需要的东西
全向或半球覆盖的方向性
能够为芯片提供最大可能的信号
无论方向如何，天线的极化都能与卡的询问信号相匹配
稳定性好
价格便宜

通信设施

通信设备为不同的RFID系统管理提供安全的通信连接，是RFID系统的重要组成部分。通信设施包括有线或无线网络和串行通信接口，供读卡器和控制器连接到计算机。无线网络可以是个人局域网（例如蓝牙技术）、局域网（例如802.11x、WiFi）或广域网（例如GPRS、3G技术）和卫星通信网络（例如同步轨道卫星L波段RFID系统）。

三、RFID天线类型

RFID有三种基本类型：线圈型、微带贴片型和偶极子型。其中，短距离应用系统使用的1米以下的RFID天线一般采用线圈式天线，工艺简单，成本低。它主要工作在中低频段。在应用系统中，1米以上的RFID天线通常采用微带贴片式或偶极子式。它们工作在高频和微波频率级。这些天线的原理是不同的。

线圈天线

当RFID线圈天线进入读写器产生的交变磁场时，RFID天线和读写器天线之间的相互作用与变压器相似，两者的线圈相当于变压器的一次线圈和二次线圈。射频识别线圈天线形成的谐振回路。包括RFID天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2。

电容C是Cp和C2的并联等效电容。RFID应用系统通过该频率载波实现双向数据通信。ID1非接触式IC卡外观为小型塑料卡（85.72mm×54.03mm×0.76mm），天线线圈谐振频率一般为13.56MHz。目前已开发出一个最小面积为0.4mm×0.4mm线圈天线的短程RFID应用系统。

一些应用要求RFID天线线圈的形状较小，并且需要一定的工作距离，例如用于动物识别的RFID。当天线线圈面积较小时，RFID与阅读器之间的互感明显不适合实际应用。RFID天线线圈通常采用高导磁性的铁氧体材料来增加互感，补偿线圈截面的减小。

微带天线

微带天线是一种由微带线或同轴探头在薄介质衬底上馈电的天线。一面附着一层薄金属层作为接地板，另一面用光刻蚀刻法制作出具有一定形状的金属贴片。

微带天线可分为两种类型：

微带贴片天线
微带缝隙天线

四工作原理

基本原则射频识别技术：读写器发送的射频信号经过编码后加载到高频载波信号上，再通过天线发出。进入读写器工作区的电子标签接收信号。卡中芯片的相关电路进行倍压整流、调制、解码、解码，然后判断命令请求、口令、权限等，最后根据指令进行标签处理。

基础

从电子标签与阅读器之间的通信和能量传感角度来看，系统一般可分为两类，即感应耦合系统和电磁后向散射耦合系统。根据电磁感应定律，利用空间高频交变磁场实现感应耦合；电磁背散射耦合，即雷达原理模型：发射的电磁波击中目标后反射，并携带目标信息，这是基于电磁波在空间中传播的规律。

感应耦合RFID系统

RFID的感应耦合符合ISO/iec14443协议。感应耦合电子标签由电子数据载体组成，电子数据载体通常由单个微芯片和大面积线圈构成的天线组成。

几乎所有的感应耦合方式的标签都是被动工作的，标签中的微芯片工作所需的全部能量都是由读卡器传输的感应电磁能量提供的。阅读器的天线线圈产生高频强电磁场，穿过线圈的横截面和周围空间，使附近的电子标签产生电磁感应。

反向散射耦合RFID系统

① 背散射调制

雷达技术为RFID的后向散射耦合提供了理论和实践依据。当电磁波遇到空间目标时，一部分能量被目标吸收，另一部分能量以不同强度向不同方向散射。在散射能量中，反射回发射天线并由天线接收的一小部分（回波）（因此发射天线也是接收天线）。对接收到的信号进行放大处理，得到目标的相关信息。在雷达技术中，这种反射波可以用来测量目标的距离和方位。

在RFID系统中，利用电磁波的反射，可以将电子标签上的数据传输给阅读器。这种工作模式主要用于915MHz、2.45GHz或更高频率的系统。

②射频识别后向散射耦合模式

目标反射电磁波的频率由其横截面决定。截面与目标的尺寸、形状、材料、电磁波的波长和偏振方向等一系列参数有关，因为目标的反射性能通常随着频率的增加而增强，射频识别的后向散射耦合方式采用UHF和UHF，应答器与读卡器之间的距离大于1米。读卡器、电子标签和天线构成了一个收发器通信系统。