（微电子学与固体电子学专业论文）射频识别阅读器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近几年，超高频( u h f ) 频段射频识别系统应用的要求推动了超高频阅读器和电子 标签的研究与开发。同时，c m o s 射频集成电路的发展迅速，用c m o s 工艺实现无线 通信收发器已经成为可能。 本论文系统地论述了超高频射频识别系统和阅读器的理论分析，研究了射频识别系 统中的许多关键技术。 首先，本论文介绍了无线通信系统中最为关键的电磁波传播，天线模型以及天线之 间建立通信的理论。在电磁波传播的地面双线模型基础上，建立了用于分析射频识别系 统的室内电磁波传播模型，在理论上指出，由于周围环境反射引起的功率衰落效应，使 得电予标签在空间某些点上卅i 能获得足够的能量而无法与阅读器之间建立通信连接。 其次，在系统的链路分析上，研究了电子标签的功率分配模型，指出在相同的阅读 器发射功率条件下，射频识别系统的最大工作距离由电子标签的功耗与阅读器的灵敏度 共同决定。计算得到的电子标签反射功率与实际测试进行了对比，两者结果比较一致， 说明了理论分析的正确性。 第三，在对射频识别系统的协议和无线电频谱规范进行分析的基础上，确定了阅读 器射频前端的体系架构。阅读器的发射电路和接收电路都采用i q 直接变频的结构，这 种结构能够兼容多种调制，并且易于升级。阅读器的反射电路用升余弦滤波器抑制带外 频谱，而接收电路可以用功率合成的方法消除的盲点效应。 第四，本论文系统地研究和分析了影响阅读器射频前端的性能的各种因素，着重研 究了阅读器发送端的频谱抑制，接收端的输入信号和噪声，直流失调的抑制，以及系统 参数的计算。在理论研究的基础上，建立了射频识别的系统模型，进行了系统仿真，验 证了理论的分析。 最后，针对阅读器的芯片设计进行了系统参数的优化，即在受限于阅读器接收机灵 敏度的条件下，选取合适的阅读器发射功率，使得射频识别系统的丁作距离达到相对最 大。采用这些系统参数，设计并实现了部分模块的芯片。 关键字：射频识别，无线信道，阅读器，电子标签，射频前端，系统模型 中图分类号：t n 9 2 ，t n 4 射频识别阅读器的研究与设计 坐型璺 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nu h fr f i dr e a d e ra n dt a ga r ed r i v e nb yt h e r e q u i r e m e n t si na p p l i c a t i o n o fu h fr f i ds y s t e m si nr e c e n ty e a r s s i m u l t a n e o u s l y ，c m o s r f i cd e v e l o p e dv e r yf a s ta n di ti sp o s s i b l et oi n t e g r a t eaw i r e l e s st r a n s c e i v e ri n t oac h i pv i a c m o sp r o c e s s t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tu h fr f i ds y s t e ma n dr e a d e ri sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s a n d m o s to f t h ee f f o r t sa r ed i s t r i b u t e do nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr f i ds y s t e m a tf i r s t ，t h e o r i e so np r o p a g a t i o no f e l t r o m a g n e t i cw a v e ，a n t e n n am o d e l ，a n da n t e n n al i n k ， t h em o s tp i v o t a lp a r t si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m a r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s b a s e d o ng r o u n dt w o r a yp r o p a g a t i o nm o d e l ，a ne l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o nm o d e li s d e v e l o p e d a si sp o i n t e do u tb yt h i sm o d e l ，t a gc o u l dn o ts e t u pc o m m u n i c a t i o nl i n kw i t h r e a d e rs u c c e s s f u l l yw h e ni ti sl o c a t e da ts o m e w h e r ed u et on o te n o u g hr e c e i v e dp o w e r i n d u c e db yc h a n n e lf a d i n g s e c o n d l y ，ap o w e rd i s t r i b u t i o nm o d e lo ft a gi sr e s e a r c h e di nt h es y s t e ml i n ka n a l y s i s i t c o n c l u d e st h a tt h em a x i m u mo p e r a t i o nr a n g ei sd e t e r m i n e db yt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft a g a n dt h es e n s i t i v i t yo fr e a d e r ac o m p a r i s o no ft h et a gr e f l e c t i o np o w e ri sm a d eb e t w e e nt h e c a l c u l a t i o na n dm e a s u r e m e n t t h es i m i l a rr e s u l t so fc a l c u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tp r o v e dt h a t c a l c u l a t i o ni sc o r r e c t t h i r d l y t h ea r c h i t e c t u r eo fr e a d e rf r o n te n di sd e t e r m i n e db a s e do nt h ea n a l y s i so fr f i d p r o t o c o l sa n dw i r e l e s sf r e q u e n c yr e g u l a t i o n s b o t ho ft h et r e n s m i r e ra n dt h er e c e i v e ra r eo l l d i r e c tc o n v e r s i o na r c h i t e c t u r e sw i t hi ob r a n c h e s t h ea r c h i t e c t u r ei sf l e x i b l ef o r m u l t i m o d u l a t i o nt y p e s ，a n du p g r a d e a b l e t h eo u tb a n ds p u r i o u ss p e c t r u mi sl i m i t e db y r a i s e dc o s i n ef i l t e ri nt r a n s m i t t e r ，a n dt h es h a d o we f f e c tc a nb er e m o v e db yc o m b i n i n gt h e s i g n a lp o w e ro f t w ob r a n c h e si nr e c e i v e r f o u r t h l y ，m o s to ft h ee f f e c t si nt h ef r o n te n do fr e a d e ra r ea n a l y z e ds y s t e m i c a l l y ，a n d e s p e c i a l l yf o c u s e do f fs p e c t r u ms u p p r e s s i o nf o rt r a n s m i t t e r , a n di n p u tn o i s ea n ds i g n a l ，d c o f f s e tc a n c e l l a t i o n a n ds y s t e mp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o nf o rr e c e i v e r b a s eo nt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，as y s t e mm o d e lo f r f i di sd e v e l o p e d t h e o r i e sa r ev e r i f i e db ys y s t e ms i m u l a t i o n f i n a l l y ，s y s t e mp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e df o rc m o sc h i pd e s i g n t h a ti st os a y ，c h o o s e ap r o p e rt r a n s m i t t i n gp o w e r ，t h eo p e r a t i o nd i s t a n c ew i l lt e n dt or e a c har e l a t i v em a x i m u m ， u n d e rt h e i i m i t a t i o no fr e a d e rs e n s i t i v i t y p a r to ft h eb u i l d i n gb l o c k sa r ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n , w i r e l e s sc h a n n e l ，r e a d e r ，t a g , r ff r o n te n d ， s y s t e mm o d e l 射频识别阅读器的研究与歧计 第一章引言 第一章引言 11 研究背景 射频识别( r f i d ) 技术是一种自动识别技术已经有几十年的历史了，并被广泛 应用于动物识别、铁路车皮识别、自动高速公路收费、航空行李处理、资产跟踪、公共 交通等f 1 】。m i t 的a u t o - - i d 中心提出了产品电子编码( e p c ) 的概念【2 】，把类似于条 形码编码的产品电子编码( e p c ) 存储在电子标签( t a g ，o rt r a n s p o n d e r ) 中，电子标 签贴在物体上，阅读器( r e a d e r ，o ri n t e r r o g a t o r ) 通过电磁波从读出编码，通过这种方 式可以识别物体。图i 1 是超高频射频识别系统的框图电子标签贴在物品表面，阅读 器和标签之间通过电磁波进行通信，阅读器获取的e p c 编码传输到主机中，从而识别 物品。从下文的分析中可以看出，当电子标签的成本很低时，可以取代条形码。 图1 1 超高频射频识别系统框图 为了减小电子标签的成本，通常基于e p c 的电子标签没有电池，而是从阅读器发 送的电磁波中获取能量，电子标签没有发射电路，而是采用反射入射电磁波的方式把 e p c 编码发送给阅读器。 射频识别技术于条形码技术在物品识别的功能上有些类似，两种技术之间的差异在 于以下几个方面：第一，成本。条形码技术的应用已经十分广泛，条形码能够印刷在物 品表面，制作非常方便，成本极低条形码扫描仪的成本也很低；而基于e p c 的射频 识别技术是近年来的新技术，应用才刚刚开始，电子标签包括芯片和印刷天线两个部分， 制作比较复杂，目前成本较高，而射频识别阅读器的成本很高，因此，单从成本方面来 讲目前条形码占有优势。第二，包含的信息。条形码能够包含的信息十分有限，而目 前电子标签的存储的数据为6 4 位，9 6 位，或者更多位，而且这些数据能够多次重复读 射频识别阅读器的研究与设汁 第一章引言 写，因此在包含的信息方面，射频识别技术占有优势。第三，自动化。条形码扫描仪必 须正对条形码才能阅读中间不能有刁i 透光的阻挡，而电子标签和阅读器之间只要中间的 阻挡物能够被电磁波穿透就可以读取：另外，条形码阅读器在某段时间内只能读一个标 签，而阅读器在某段时间内能够同时读取多个标签的信息，因此在自动化方面，射频识 别技术占有优势。第四，鲁棒性。当条形码变脏，弯曲以后，很有可能不能阅读，而在 这些方面，射频识别技术的工作更稳定。从以上的分析可以看出，射频识别技术解决成 奉问题以后，能够在很大程度上取代条形码。 射频识别系统的工作频率可以选择从低频，高频，超高频，以及微波等多个频率， 工作频率不同时，其工作的机理以及面临的问题不相同。表1 1 是工作于不同频段的射 频识别系统的对比，从表中可以看出，工作于超高频频段的射频识别系统其工作距离最 远，这个频段的射频识别系统是本文的研究内容，在本文后续的名称中，把超高频射频 识别系统简称为射频识别系统。 表1 1 工作于不同频段的射频识别系统对比 工作频率典型_ 作频率 波长 通信机制典型通信距离 低频( l f )1 2 5 1 3 4 k h z约2 4 千米电感耦合i o 厘米 高频( h f )l3 5 6 m h z约2 0 米电感耦合几厘米到l 米 超高频( u h f )8 6 0 一9 6 0 m h z约3 3 厘米 电磁场耦合几米到l o 米 微波( m i c r o w a v e )2 4 2 4 5 g h z约1 2 厘米电磁场耦合1 米到3 米 由图1 1 所示，射频识别系统的主要内容包括阅读器和电子标签两个部分，两者之 间是在阅读器和电子标签的天线以及无线信道中建立通信的。图1 2 是射频识别系统的 工作机制，阅读器和电子标签之间通过电磁波进行通信，通信的时序大体上可以分为三 个阶段：阅读器的侦听模式，阅读器到标签的通信，标签到阅读器的通信。阅读器的侦 听模式是阅读器先在某个工作信道上侦听是否有其他阅读器在工作，假如没有其他阅读 器占用该信道。则阅读器发送一个指令给标签，然后发送一个无调制的载波，此时标签 反射这个无调制的载波，从而把信息发送给阅读器。阅读器与标签之间主要为两个通信 过程：第一个通信过程是阅读器发送一个调制的载波给标签，如o o k ，此时电子标签 从电磁波中获取能量，并解调阅读器发射的信号，得到阅读器的指令；第二个过程是标 签获得阅读器的指令以后，根据指令的内容，经过标签内阅读器状态机的转换，把标签 的内容通过后向散射( b a c k s c a t t e r ) 的方式传输给阅读器，而此时阅读器发送无调制的 载波用以提供标签工作需要的能量，以及标签反射需要的电磁波载体。 射频识别阅读器的研究与设计 第章e 言 ，一一一一一谝m 晶舀谪n 语m 高一一一一一、 图1 2 超高频射频识别系统的通信机制 射频识别系统的通信过程有一定的特殊性，与一般的无线通信系统不同，最大的不 同之处如图1 3 所示，如g s m 。g s m 工作于全双工的模式，符合欧洲标准的g s m 手 机的发射频率为8 9 0 9 1 5 m h z ，接收频率为9 3 5 - - 9 6 0 m h z ，两者的间隔至少为2 0 m h z ， 因此当g s m 手机的接收机t 作时，可以通过高频滤波器抑制发射电路的耦合到接收电 路的功率，减小发射电路对接收电路的影响。而射频识别阅读器虽然不是全双工工作， 但是当阅读器的接收机工作时，发射电路同时也在发射一个大功率的无调制载波，而阅 读器接收到的信号和发射的功率处于同一频率，因此无法通过滤波器的方法来抑制。 毪，) 园善驾 “啦! 洇、譬 r e a d e r 图1 3 射频识别与无线通信系统的比较 由图1 2 可知，射频识别系统工作的主要模块有阅读器和电子标签，为了便于分析， 把天线和无线信道单独列出，文献【4 】简要地给出了个模块可能会遇到的非理想因素， 主要包括：阅读器发射电路发射出的信号可能会4 i 符合无线电管理规范的要求，阅读器 射频识别阅读器的研究与设计 ，著 口蒜 第一章引言 天线和电子标签天线之间的功率传输会受到两者天线之间极化方向天线增益的影响 阅读器接收到的信号会受到天线阻抗匹配 的衰落效应或者受潮而不能正常上电工作 以及衰落的影响，电子标签会因为无线信道 等。 1 2 射频识别系统和阅读器国内外的研究现状 目前国内外主要的超高频射频识别系统的供应商如表i 2 所示。 表1 2 射频识别设备的主要供应商 供应商提供的产品供应商提供的产品 a w i d阅读器 s a m s y s 阅读器，系统集成 l m ! a i n i标签芯片s a v i标签。阅读器，系统集成 i n t e l l e f l e x电池辅助标签，标签芯片 s i r i t 阅读器o e m 阅读器单元 阅读器 i n t e r m e c标签，阅读器，系统集成 t i标签芯片 m e a d w e s t v a e o标签，封装 阅读器单元和芯片组 w jc o m m u n i c a t i o n s p h i l i p s 标签芯片 z e b r a电子标签 s e m i c o n d u c t o r r a f s e c标签 标签芯片s tm i c r o e l e e t r o n i c s 瑞福科技阅读器，系统集成 表1 2 是国内外主要的射频识别设备的供应商，表中除瑞福科技是国内的供应商以 外，其余都是国外的厂商。其中在阅读器方面，能够购买到的产品都用分立元器件实现， 其成本非常昂贵。 在阅读器的芯片设汁方面，目前已有少数厂家开始计划设计阅读器的专门芯片，目 前还未见到有单芯片的射频识别阅读器产品。w jc o m m u n i c a t i o n s 是一家射频器件供应 商，目前提供固定式阅读器和手持阅读器的产品，并且已经开始设计单芯片的阅读器射 频前端 5 】。 因此，对射频识别系统进行分析和研究，有助于在国内开展射频识别设备的设计和 应用。 在射频识别系统理论研究上，目前国内外开展较少，文献 6 】设计了一种低功耗的 射频电子标签，并对电子标签的反射做了一个理论模型，分析了电子标签可用于整流电 路以及用于反射的功率分配关系，并讨论了不同反射调制方法对性能的影响。文献【7 】 针对环形天线的短距通信优化方法，对本文射频识别系统理论研究提供了参考。文献【8 射频识别阅读器的研究与跬计4 第一章引言 给出了用硬件描述语言建立的射频识别系统宏模型，在系统建模方面可以提供一些参 考。 在无线通信的信道研究方面，文献【9 】和文献 1 0 】归纳总结了无线信道的建模的方法 和目前的信道模型。 目前国际上在c m o s 射频芯片方面的理沧研究与芯片实现取得了蓬勃的发展，这 为研究c m o s 单芯片阅读器提供了丰富的参考资料，如【1 l 】【1 2 】，但是c m o s 单芯片阅 读器的研究与实现目前还没有公开的文献作为参考。 1 3 论文的研究工作和贡献 针对射频识别通信系统工作模式的特殊性，本文在以下几个方面做了研究与贡献： 第一，针对射频识别系统主要应用短距离室内工作的环境，在传统的地面传播双线 模型基础上，建立了用于估算射频识别功率传输的室内电磁波传播模型，在理论上指出， 由于周围环境反射引起的电磁波能量叠加和削弱，会引起电子标签在空间某些点上不能 获得足够的能量而无法与阅读器之间建立通信连接。 第二，在射频识别的系统分析上，研究了射频识别系统的功率传输模型，分析了阅 读器和电子标签之间功率的分配与传输，指出射频识别系统的最大工作距离由电子标签 的功耗与阅读器的灵敏度共同决定。 第三。在对射频识别系统的协议和无线电频曙规范的分析基础上，确定了阅读器射 频前端的体系架构，即阅读器的发射电路采用i q 两路直接上变频的结构，用来产生多 种调制方式，在频潜抑制方面，用升余弦滤波器抑制带外频谱；阅读器的接收电路采用 i o 两路的零中频接收机架构，以消除接收机的零点效应。 第四，本论文系统地研究和分析了影响阅读器射频前端的性能的各种因素，着重研 究了阅读器发送端的频谱抑制，接收端的输入功率信号，直流失调的抑制，以及系统参 数的计算。在理论研究的基础上，建立了射频识别的系统模型并进行了仿真，得到了阅 读器发射端的输出频谱，电子标签反射信号的频谱，以及阅读器接收端的基带信号，并 进行了分析。 第五，针对c m o s 单片实现阅读器的方案，通过理论研究，确定了用c m o s 工艺 实现单芯片阅读器的合理的系统参数，为芯片设计提供了指导。 总之，由于基于产品电子编码的超高频射频识别技术是近年来兴起的一项新技术， 在通信方式上与一般的无线通信系统不同，因此，本论文的目的是对射频识别系统和阅 读器进行理论上的研究，并对单芯片阅读器的实现做出尝试。 射频识别阅读器的研究与设计 第一章引言 1 4 论文的组织结构 本论文对射频识别系统和阅读器进行了理沧研究，论文的具体组织结构如下： 第二章“射频识别系统的物理基础”从m a x w e l l 方程出发，介绍了射频识别系统工 作的近场和远场条件，系统地总结了发射天线和接收天线理论模型，天线传输理论和天 线引入的噪声，为后续的理论分析提供了基础。 第三章“射频识别系统的信道研究”在地面双线反射模型的基础上建立了适用于射 频识别系统的电波传播模型，从理论上来预测标签接收到的功率在某些点上存在功率衰 落效应，并研究了环境反射对阅读器接收机的影响。由于射频识别的短距离通信，使得 无线信道的小尺度衰落效应对射频识别系统的影响不大。在射频识别系统的路径损耗来 以及电子标签的发射和接收天线模型的基础上，分析了电子标签接收到的功率分配，并 由此得到各种调制方式对射频识别系统的影响，得出了电子标签用于整流和用于反射的 能量关系，从理论上对射频识别系统的性能做出了估计。 第四章“射频识别阅读器的体系架构”从阅读器的发送和接收两个方面进行研究， 影响阅读器发射电路架构的因素是射频识别系统的协议以及无线电频率规范，影响阅读 器接收电路架构的因素是存在阅读器接收电路存在零点效应，在这两个方面研究的基础 上，提出了满足多种协议，满足频率规范，性能较好和易于升级的阅读器射频前端的体 系架构。 第五章“射频识别阅读器的设计和性能分析”主要对对阅读器发射信号频谱抑制相 关的升余弦滤波器，希尔伯特变换器，量化噪声，以及发射电路的i o 两路信号的失配 做了分析。对阅读器接收电路的分析包括阅读器接收到的有用信号和干扰信号，阅读器 接收电路的相位噪声，i q 两路信号的失配，分析了阅读器接收电路中直流失调的抑制 以及直流失调中极点对接收机系统参数的影响，最后给出了阅读器接收机的系统参数和 阅读器频率综合器的要求。 第六章“射频识别系统的系统仿真”主要介绍了射频识别系统和阅读器射频前端的 系统建模和仿真。取得了时域和频域的仿真结果，对系统性能的分析和电路的设计起到 了一定理论指导作用。 第七章“射频识别系统的芯片设计”从理论分析出发，电子标签的功耗，阅读器的 发射功率，以及阅读器的接收机灵敏度是影响射频识别系统的工作距离的主要因素，因 此本章针对c m o s 芯片设计对参数进行了系统设计和优化，设计实现了阅读器接收机 的混频器，研究并设计了适用于射频电子标签的低电压低功耗振荡器。 第八章“总结和展望”总结了本文的工作，给出了今后需要进一步研究的方向。 射频识别阅读器的研究与设计6 第一章引言 参考文献 k l a u sf i n k e n z e l l e r ，“射频识别( r f i d ) 技术一无线电感应的应答器和非接触i c 卡的 原理与应用，”电子工业出版社，2 0 0 2 【2 】e p cg l o b a l ，w w w e p c g l o b a l i n c o r g 【3 】m o er a h n e m a ，“o v e r v i e wo ft h eg s ms y s t e ma n dp r o t o c o la r c h i t e c t u r e ，”i e e e c o m m u n i c a t i o n s m a g a z i n e ，a p r 19 9 3 【4 】m p rs e r i e sm u l t i - p r o t o c o lr f i dr e a d e ru s e r sm a n u a l ，w jc o m m u n i c a t i o n s ，i n c ，2 0 0 4 5 w jc o m m u n i c a t i o n s ，班型型：型j ：q 盟 【6 】u d ok a r t h a u s ，m a r t i nf i s c h e r ，“f u l l yi n t e g r a t e dp a s s i v eu h fr f i dt r a n s p o n d e ri c w i t h1 6 7 一u wm i n i m u mr fi n p u tp o w e r ”，i e e ej o u r n a lo fs o l i d s t a t ec i r c u i t s v 0 1 3 8 n o 10 ，o c t o b e r2 0 0 3 【7 】d a v i dc y a t e s ，a n d r e ws h o l m e s ，a l i s o nj b u r d e r ，“o p t i m a lt r a n s m i s s i o nf r e q u e n c y f o ru l t r a l o w p o w e rs h o r 【一r a n g er a d i ol i n k s ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n d s y s t e m s f r e g u l a rp a p e r s ，v 0 1 5l ，n o 7 ，j u l y2 0 0 4 【8 】v b e r o u l l e ，r k h o u r i ，t v u o n g ，s t e d j i n i ，“b e h a v i o r a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f a n t e n n a s ：r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a s es t u d y ，”b e h a v i o r a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ， 2 0 0 3 b m a s2 0 0 3 p r o c e e d i n g so f t h e2 0 0 3i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po n 【9 】h e n r yl b e r t o n i ，“r a d i op r o p a g a t i o nf o rm o d e r nw i r e l e s ss y s t e m s ，”p u b l i s h i n gh o u s e o fe l e c t r o n i c si n d u s t r y ，2 0 0 2 【1 0 】t h e o d o r es r a p p a p o r t ，“w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sp r i n c i p l e sa n dp r a c t i c e ，”p u b l i s h i n g h o u s eo fe l e c t r o n i c si n d u s t r y ，l9 9 9 【l1 】b e n g tl i n d o f f , a n dp e t e rm a i m ，“b e rp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fad i r e c tc o n v e r s i o n ，” i e e et r a n s a c t i o n so nc o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 5 0 ，n o 5 ，m a y 2 0 0 2 【1 2 】p e t e rk i s s ，a n dv | a d i m i rp r o d a n o v ，“o n e - t a pw i d e b a n di qc o m p e n s a t i o nf o rz e r o - i f f i l t e r s ，”i e e et r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n ds y s t e m s i ：r e g u l a rp a p e r s ，v 0 1 5 1 ，n o 6 ，j a n 2 0 0 4 射频识别阅读器的研究与设计7 第= 章射频识别系统的物理基础 第二章射频识别系统的物理基础 简介 本章从m a x w e l l 方程出发，给出了超高频射频识别系统应用的条件，即远场工作条 件。接着探讨了天线传输理论，发射天线和接收天线的模型，天线之间建立的通信链路， 以及天线的信噪比等内容，为射频识别的系统研究和理论分析建立了物理基础。 2 1 电磁场基础 无线通信中，信息通过电磁波进行传输，交变的电场产生磁场，交变的磁场产生电 场，m a x w e l l 方程【l 】描述了空间每一点上每个时刻的电场和磁场情况。交变的电磁场用 频率为的正弦形式来表示时可以得到以下的关系： v x e = j c o b( 2 1 ) v h = j j c o d( 2 2 ) v d = p ( 2 3 ) v b = 0 ( 2 4 ) 其中e 是电场强度( v m ) ，h 是磁场强度( a m ) ，b 是磁通量密度( t ) ，d 是 电位移矢量( c m 2 ) ，j 是电流密度( a m 2 ) ，p 是电荷密度( c m 3 ) 。电荷和电流的 连续性方程为 j r , o p + v j = 0( 2 5 ) 单位平面上电场和磁场的发送的平均功率可以用p o y n t i n g 矢量来表示。 s = 去r e e h ) ( 2 6 ) 真空中电磁波的波数定义为 k = m 鬲= 竺= 等= 户( 2 7 ) c 其中c 是光速，3 x1 0 8 m s ，毛是真空的电导率，8 8 5 4 2 x1 0 m f m ，肺是真空的磁 导率，4 丌1 0 一h m 。电场强度和电位移矢量的关系为d = e o e ，磁场强度和磁通量密度 的关系为b = 胁日。真空的特征阻抗为 刁：净：3 7 7 f ) v 岛 射频识别阅读器的研究与设计 ( 2 8 ) 第_ 掌射频识剐系统的物理基础 2 2 近场和远场 发射天线附近的电磁场可以分为两个独立的区域 2 】：电抗性近场( r e a c t i v en e a r f i e l d ) 和辐射场( r a d i a t i n gf i e l d ) ，如图2 i 所示。前者能量主要以存储的形式存在， 而后者能量主要以电磁波的形式进行传播。两者的边界为 ”丢 ( 2 - 9 ) 其中，为到天线的距离，五为电磁波的波长。 当满足以下条件时， 五 7 瓦 ( 2 1 0 ) 该处的电磁场区域常常简称为近场，区域中的电磁场近似于静态电流和电荷再分布 产生的场强，因此也称为准静态场，场强随时间的变化与天线的电流和电荷的分布成正 比。 针对天线设计，辐射场可以进一步分为两个区域：辐射近场和辐射远场。两者的边 界为 ，：孚( 2 1 1 ) 其中d 为天线的最大尺寸。当满足以下条件时， 2 d 2 ，-( 2 1 2 ) 该处的电磁场简称为远场，此时辐射场超过准静态场，占主要地位。 不同频段的r f i d 系统采用不同的电磁场通信机制。目前r f i d 系统采用的典型频 率有1 3 5 6 m h z ( h f 频段) 和9 1 5 m h z ( u h f 频段) 附近，分别工作于近场和远场模 式，近场模式采用磁场耦合的方式进行通信，分析比较复杂。由于超高频射频识别系统 工作模式为远场，因此本文主要分析远场之间的电磁场传播，在讨论到近场耦合模式下 射频识别阅渎器的研究与设汁9 ，nu门u， 、 2 ) ( 5 第二章射频识别系统的物理基础 的工作原理时，也会分析近场耦合的情况。 2 3 天线产生的电磁场 为了得到天线的电磁场传播，首先考察天线发送的电场传播情况。当观察点和天线 之间的距离满足 r d f 2 1 3 ) r 五 ( 2 1 4 ) 以及式( 2 1 2 ) 时，天线工作于远场模式，示意图如图2 2 所示，天线产生的电场 为【2 】 e ( ；) = 譬 q ( ) 多+ 矾( ) 谷 ( 2 1 5 ) 其中t = 2 厅五是真空中的波数， = c f 是真空中的波长，c 兰3 x 1 0 8 m s 是真空中 的光速，f 是工作频率，= ；s i n 曰c o s + ；s i n 口c o s + ；c o s 口是从天线到距离为；的单 位矢量，；，多，和；分别是三维空间x ，y ，和z 的单位矢量，r = h 是观察点到天线 的距离。 图2 2 天线产生的电场( 远场) 在图2 2 中，电磁场从天线向远处以球形或者等效为球形的方式传播，电场以1 r 的 速率衰减，电场在；方向上没有分量，电场方向可以用方向角；= f ；1 l ；1 和蚕= ； 来表示，电场在；和蚤方向上的幅度依赖于传播的方向其强度可以分别用犯f ) 和 心( ) 来表示。 对于远场的观察点来说，天线的电场传播可以看做是一个平面波，因此远场的磁场 可以表示为 射频识别阅读器的研究与设计 1 0 第二章射频识别系统的物理基础 杵扣删 亿 = 吉等 q ( ) ；一( ) 铂力r l 、，、7j 由式( 2 6 ) ，远场情况下电磁波的功率流可以用p o y u n g 矢量的实部来表示 s ( ；) = 专陋( 纠十矾( 科 ； 防 天线的辐射强度u ( 蠢) 可以表示为 u ( ) 一阶) 1 ：击0 q ( ) d 2 + i 隅( ) 扫 。1 8 归一化的辐射强度定义为睨，( ) = ，( ) 舡，其中是u ( ) 在o 日z 和 o s d s 2 z 之间的最大值。天线发射的全部功率可以对p o y f i n g 矢量在包含天线的闭合面 s 上的积分得到。如果s 为半径，的球面，并且满足远场条件( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 则天线发射的所有功率为 异= g s ( ；) 出 ( 2 1 9 ) 其中出= 如2s i n o d o d ( 口，是表面矢量微分。由( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可得 斥2 0 如d 吖训( ；) ( 2 2 。) o 、u ) = 孵c ，( ) d q 其中d q = s i n o d o d ( 。由此可得，只可以表示为天线效率乘以终端得到的功率，也 可以表示为在单位球面上得到的辐射强度a 当u ( 露) = 1 时，从( 2 2 0 ) 可以得到斥= 4 口， 于是平均辐射强度为u o 。= b 4 z 。 远场情况下，电磁场的传播近似可以看作平面波：电场方向垂直于磁场方向，电场 和磁场方向都垂直于传播方向。如果电磁波的传播方向己知。则可以定义发射天线的极 化。电磁波的极化定义为往传播方向看进去的电场矢量末端形成的图形，可分为线极化， 圆极化和椭圆极化三种。对于圆极化和椭圆极化，电磁波的旋转可以分为顺时针( 右旋) 和逆时针( 左旋) 。天线的极化是和方向相关的，定义为；( ) 擗掣 ：， 其中 射频识别阅读器的研究与设计 第二章射频识别系统的物理基础 胛( ；) = j l 啊( ) h 赐( 1 ) 1 2 ( z 2 2 ) f f ( k ) 的值表示为天线在方向上的场强。由式( 2 2 1 ) 可以得到引) 引) = 1 ， ；( ) ；= 0 。归一化的场强定义为阡舢，( ) = ( ；) f r 。，其中f f m 。是肼( ) 在 o p z 和o 2 z 之间的最大值，并有u 。( ) = lf f , , o ，( ) i 。假定有一个天线辐射 的场强为啊( ) = 一s i n 0 ，矾( ；) = b s i n o c 。s 庐，如果爿= 0 ，或者b = 0 ，则分别为a 或；方向线极化：如果a 和b 为非零并且都为实数，则极化为依赖于方向谷和；的线极 化；如果a = i 并且b = ，则传播方向为( ，0 ) = ( o ，t t l 2 ) ( 例如x 轴方向) ，是右旋圆 极化电磁波，当传播方向为( 庐，0 ) = ( 口，x 2 ) 时( 例如在一x 轴方向) ，则为左旋圆极化 电磁波，而在士y 轴方向上的场强为线极化。 2 4 天线的方向图 天线的辐射方向图是用图形的方式来描述天线的性质。用于描述球面或者某个特定 切面上功率分布， ) 的图称为功率方向图；用于描述场的幅度f _ ) 的图称为场 强方向图。在画天线方向图时，辐射强度最强的方向称为主瓣，其他方向则称为旁瓣， 如图2 3 所示，图中同心圆表示不同的半径。 图2 3 归一化的( 功率) 方向图 天线方向图剖面中主瓣半功率带宽( h a l f p o w e r b e a mw i d t h ，h p b w ) 和第一零点 带宽( b e a mw i d t hb e t w e e nt w of i r s t n u l l s ，b w f n ) 是主瓣的两个特征参数。定义主瓣 中左边和右边的半功率角度为o “n “e = ，和f - 。, , g h 。t ，则h p b w 的功率方向性为 ，蚕w ) ) = ，( ( 舀端w ) ) = 吉 ( ：) 射频识别阅读器的研究与设计 1 2 第_ 二章射频识别系统的物理基础 此时h p b w 表示为 h p b w ：舀”h p 口，+ 舀嚣：， ( 2 2 4 ) 类似地，第一零点带宽的功率方向性为 ( ( 舀) ) = ( ( 舀赢) ) = o ( 2 2 5 ) 此时b w f n 表示为 b w f n ：百淼。十a ：( 2 2 6 ) 旁瓣辐射强度( s i d e l o b el e v e l ，s l l ) 表示为天线最大旁瓣( 通常但并不都是紧挨 着主瓣) 上的辐射强度，表示为 盟上：业烛：竺坠旦坠 “u ( 2 2 7 ) ：! 塑k 2 兰竺：照 。 f f ：。 f f ：。 前后比( f r o n t t ob a c kr a t i o ，f b r ) 定义为天线最大辐射方向和其相反方向的比值， 表示为 f b r = ：坠 u f b r ( 2 2 8 ) 天线的立体角表示和该天线的主瓣辐射相同的功率，但是其辐射强度为。的假想 天线立体角。天线的立体角表示为 4 i u ( o ，1 d q g = 卫万一 ( 2 2 9 ) 等效地可以表示为 g = s i n o d o f d q k u , ，( ) 。 ?： ( 2 3 0 ) ：s i n o d 0 2 m 矾例2 = 驯矾，( ) l 从上可以看出，如果天线辐射强度为常数u ( t ) = l 0 。，则g = 4 丌。这种天线为全 向天线，而对于其他天线，g 4 x 。 射频识别阅读；： 的研究与设计 第二章射频识别系统的物理基础 2 5 发射天线 天线的方向性d ( i 1 用于表征某个天线相对于全向天线发射功率的特性，定义为天 线辐射强度u ( ) 和平均辐射强度的比值，而可以认为是等效全向天线的辐射 强度，方向性定义为 掣：掣 ( 2 ，。) 虬。b 、。 最大的方向性d 定义为天线所有辐射角度上方向性的最大值， ( 啦= 镪= 薏 s ：， 发射天线的模型可以用图2 4 表示，等效为信号源阻抗乏= r s + 弘：和天线的阻抗 z = b + 成，其中b 为天线的输入阻抗，以是天线的输入电抗。 = r +