（材料物理与化学专业论文）超高频射频识别电子标签芯片模拟前端分析与设计.pdf

摘要 摘要 射频识别技术是一种利用射频信号获取相关信息的自动识别技术。随着技术 的发展，射频识别技术应用领域日益扩大，并将成为未来信息社会建设的一项基 础技术。 本论文首先论述了超高频射频识别系统的物理基础及通讯原理，在此基础 上对低成本低功耗的电子标签芯片模拟前端电路进行了分析与设计。 首先，从无源射频电子标签的能量供应角度，对高频射频识别系统中应用的 各类整流电路进行性能上的比较、仿真及分析，提出一种适用于超高频电子标签 的整流结构。 其次，研究了各类稳压限流保护电路结构，结合不同结构优点，提出了一种 限流范围更大，电压更稳定的适用于超高频电子标签的低功耗保护电路结构。 然后，根据e p cc l a s s 0 通讯协议要求，设计了解调和调制电路以及上电复 位电路。 最后，研究了各类环形振荡器的特点，提出了适用于超高频电子标签、与电 源电压无关频率稳定的低电压振荡器。 关键词：超高频射频识别、无源电子标签、整流电路、稳压限流保护电路、环 形振荡器 中图分类号：t n 4 7 a b s t r a c t a b s t r a c t r a d i of i e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yi sak i n do fa u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y u s i n gr a d i of r e q u e n c yw a v e f o r mt oc a p t u r ei n f o r m a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , r f i d sa p p l i c a t i o n si n c m a s e r a p i d l ya n dw i d e l y r f i dw i l lb e c o m eo n eo ft h ef u n d a m e n t a lt e c h n o l o g yi nt h e f u t u r ei n f o r m a t i o ns o c i e t y t h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n dc o m m u n i c a t i o nt h e o r yo f u l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) r f i dt e c h n o l o g ya l ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n o nt h i sf o u n d a t i o n , t h ea u t h o r a n a l y z ea n dd e s i g nl o w - c o s tl o w - p o w e rf r o n t - e n dc k c u i t so fu h fr f dp a s s i v et a g c h i p f i r s t l y , t y p e so f r e c t i f i e r sa r ec o m p a r e d ，s i m u l a t e da n da n a l y z e de s p e c i a l l yb a s e d o np o w e rc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , ah i g h - p c er e c t i f i e rc i r c u i tu t i l i z e df o ru h fr f i d t a gi sp r o p o s e d s e c o n d l y , t y p e so fl i m i t e r sa l es t u d i e d ，ah i g h - p e r f o r m a n c ea n dv o l t a g e - s t a b l e l i m i t e ri sp r o p o s e d b a s e do nt h ee p cc l a s s0p r o t o c o l ，c i r c u i t so fs e v e r a lb u i l d i n gb l o c k ss u c ha s d e m o d u l a t o r , m o d u l a t o ra n dp o ra l ed e s i g n e d i nt h ee n d , v a r i o u st y p e so fr i n go s c i l l a t o r sa r es t u d i e da n dal o w - v o l t a g er i n g o s c i l l a t o rd e s i g n e df o ru h fr f i dt a gi s p r o p o s e df o ro p t i m i z a t i o n i ns t a b l e f r e q u e n c y k e yw o r d s ：u h fr f i d ，p u s s i y et a g ，r e c t i f i e r , l i m i t e r , r i n go s c i l l a t o r c l cn u m b e r ：1 n 4 7 l i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：尘盔墨 日期：坦2 ：! ： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：盘堡垒导师签名 第一章序言 第一章序言 1 1 射频识剐系统( r f i d ) 概述 随着社会现代化进程的加快，信息技术正迅速改变着人们的生活。经过几 十年的发展，自动识别技术已经在货物销售、物流分配、商品流通和生产制造 等诸多领域得到了快速的普及和应用，初步形成了一个包括条码技术、磁卡技 术、系统集成化、声音视觉识别等集计算机、电子、通信技术为一体的高新技 术学科。自动识别技术的崛起，提供了快速准确地进行数据采集输入的有效手 段，解决了由于计算机数据输入速度慢、错误率高等造成的“瓶颈”难题。因 而自动识别技术作为一种革命性的高新技术，迅速为人们所接受，并得到了迅 猛发展1 1 。 作为自动识别技术的代表条形码，在1 9 7 3 年被推出时，其发明者曾经预 言：2 5 年以后，将有一种新的技术来替代条形码。现在，射频识别技术( 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 n 简称r f i d ) 已经走进人们的生活中。它不仅仅是条形 码的简单替换品，更能综合无线通讯、微电子、互联网等最新信息技术，对所 有社会产品进行从生产、销售、使用甚至回收处理迸行全过程监控管理，极大 地提高整个社会的运转效率。 与条形码、磁条等同期或早期的自动识别技术相比，射频识别技术具有非 接触、精度高、信息收集处理迅速、全天候工作及较好的应用环境适应性等一 系列优点，在近年来获得了及为迅速的发展。表1 1 所示为射频识别技术与其 它自动识别技术的比较【2 】。 信怠载体信息量读写性智能化读写方式成本 条形码纸，薄膜小只读无 接触 最低 磁条磁性物质一般 可读写无接触低 i c 卡e e p r o m大 可读写有 接触较高 r f i de e p r o m大 可读写有非接触较高 1 2 射频识别系统的组成 表1 1 不同识别技术的比较 射频识别系统在具体的应用过程中，根据不同应用环境的和应用耳的，系 统的组成会有所不同。从射频识别系统的工作原理来看，系统一般都由信号发 l 第一章序言 射机( 应答器) 、信号接收机( 阅读器) 、发射接收天线等部分组成，如图1 2 所示，应答器透过耦合元件从阅读器获得能量和时钟，并进行数据的传输。 图1 2 射频识别系统组成 下面分别加以说明： ( 1 ) 应答器 在射频识别系统中，为了不同的应用目的，应答器会以不同的形式存在， 典型的形式是标签( t a g ) 。标签存储需要识别传输的信息，能够自动或在外力 的作用下，把存储的信息主动发射出去。应答器由耦合元件以及芯片组成，是 射频识别系统真正的数据载体。 通常，在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态( 无源标签) 。应答 器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合( 非接触的) 获得 的。 ( 2 ) 阅读器 在射频识别系统中，信号接收机一般叫做阅读器。阅读器基本的功能就是 提供与标签进行数据传输的途径。标签将识别数据信息和附加信息按照一定的 结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息 来控制数据流的发送。 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及与应 答器连接的耦合元件。此外，许多阅读器还都有附加的接口( 如r s 2 3 2 ) ，以便 将所获得的数据进一步传输给另外的系统( p c 机、机器人控制装置等) 。 ( 3 ) 天线 天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。标签天线通过电磁 场耦合从阅读器天线中获得能量。 1 3 射频标签的分类 射频标签根据工作方式、可读写性、运行方式、供电方式、工作频率等的 2 第一章序言 不同可以分为不同的种类。( 图1 3 ) 工作方式 可读写性 运行方式 供电方式 工作频率 图1 3 射频识别系统的各种区另特征 根据标签的可读写性分为只读标签和可读可写标签。只读标签内的信息存 储在r o m 中，出厂即设定好，不可更改；可读可写标签般将标签保存的信 息写入e e p r o m 中，可以改写。 根据标签的供电方式分为有源标签和无源标签。有源标签内装有电池，一 般具有较远的阅读距离，可达几十米甚至上百米，不足之处是电池的寿命有限 ( 3 1 0 年) ，并且价格较高。由于标签自带电池，体积较大，无法制作成薄卡。 无源标签内无电池，利用阅读器发出的电磁场耦合提供能量。无源标签重量轻、 体积小，寿命可以非常长，成本便宜，但相比有源系统，无源系统在阅读距离 及适应物体运动速度方面略有限制。 根据标签的工作频率分为低频、高频、超高频和微波系统。低频系统一般 指其工作频率小于3 0 0 k h z ，典型的工作频率有：1 2 5 k h z ，2 2 5 k h z ；高频系统 一般指其工作频率在3 - 3 0 m i - i z ，典型的工作频率有：1 3 5 6 m i - i z ；超高频系统一 般指其工作频率在3 0 0 m h z 以上，典型的工作频段有：8 6 0 , - , 9 6 0 m h z ；微波系 统一般指其工作频率在2 4 5 g h z 以上的，典型的工作频段有：2 4 5 g h z ，5 8 g h z 等。射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。标签的工作频率不仅决定着 射频识别系统的工作原理和识别距离，而且还决定着射频标签和读写器实现的 难易程度。表1 2 显示了不同工作频率标签的优缺点【3 】。 3 第一章序言 工作频段优点缺点 1 5 0 k i - i z 标准的c m o s 工艺通讯速率低 技术简单成熟 工作距离短( 1 m )各国有不同的频段管制 ( 8 6 0 9 6 0 m h天线尺寸小 对人体有伤害，发射功率有限制 z )可绕开障碍物 受某些材料影响较大 可定向识别 微波除u h f 特点外共享此频段产品较多，易受干扰 ( 2 4 5 g h z ， 更高的带宽和通讯速率技术相对复杂 5 8 g h z ) 更长的通讯距离 对人体有伤害，发射功率有限制 更小的天线尺寸 表1 2 射频识别系统频率的选择与应用的关系 1 4 超高频射频识别电子标签简介 超高频系统的基本特点是应答器及阅读器成本均较高、应答器内保存的数 据量较大、阅读距离较远( 可达几米至十几米) ，适应物体高速运动性能好、外 形一般为卡，阅读天线及应答器天线均有较强的方向性；有很高的数据传输速 率，在很短的时间内可以读取大量的射频标签 3 】。 超高频射频识别电子标签主要应用于需要较长的读写距离和较高的读写素 的场合，典型应用包括供应链管理系统、生产自动化管理系统、铁路包裹集装 箱识别系统、高速公路自动收费系统等。 对于超高频射频识别系统，目前，还未形成完善的相关国际和国内标准。 射频识别的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等多个部 分。其中标识编码规范包括标识长度、编码方法等：操作协议包括空中接口、 命令集合、操作流程等规范。当前主要的超高频射频识别系统相关规范有：i s o 1 8 0 0 0 6 标准【4 】，定义了物理层和通信协议，空中接口定义了a 类和b 类两部 分，支持可读可写操作；欧美的e p c 协议 5 1 1 6 1 ，定义了电子物品编码的结构 和空气接口及通信协议；日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ) 规范【7 】，定义了u i d 编 码结构和通信管理协议。 4 第一章序言 1 5 超高频射频识别电子标签研究现状 在超高频射频识别标签技术的研究方面，当前主要集中在降低标签成本和 提高芯片工作距离等方面。 超高频射频识别电子标签标签成本是其商业应用能否取得成功的关键。例 如对于供应链管理，标签成本要与条形码可比拟才会取代条形码。射频识别电 子标签的成本主要由i c 芯片、天线和封装等几部分构成。随着集成电路技术的 进步和应用规模扩大，射频识别电子标签的成本将不断降低。根据a u t o i d 中 心的预测，在大规模生产的情况下，电子标签生产成本最低能降到5 美分，其 中i c 芯片约1 2 美分，天线约1 美分【8 】；a r c 顾问集团预测，到2 0 0 8 年， 无源高频频段标签的平均价格将下降至3 0 美分，超高频段标签的平均价格将下 降至1 6 美分【9 】。标签芯片成本的降低通过工艺改进和设计改进实现。现有许 多射频识别电子标签芯片设计都是基于特殊工艺( 锗硅、b i c m o s 等) 。众所 周知，随着微电子技术的飞速发展，c m o s 工艺已能制造应用于微波波段的芯 片，射频电路能集成到大规模数字电路的芯片上。以c m o s 工艺制造的无线系 统将会具有更加低的制造成本。另外，芯片面积的减小亦可以降低成本，这需 要工程师在符合芯片要求的前提下尽量降低电路复杂程度。 标签的有效工作距离主要由标签芯片的功耗大小决定。相对于高频电子标 签，超高频的无源标签由于工作在远场，获得的能量要低数个量级，这对电路 的低功耗设计提出挑战。现有研究中主要通过许多电路设计技术来提高能量转 换效率以及降低标签芯片各模块电路功耗，尤其是模拟前端电路的功耗 【1 0 1 1 1 1 2 】 1 3 】。如何设计出低功耗、适用于射频识别标签芯片的单元电路是决 定标签芯片设计成功与否的关键。 1 6 本文研究内容 本文在论述超高频射频识别系统的物理基础及通讯原理的基础上，对模拟 前端电路进行了分析与设计。 如图1 4 所示，一个完整超高频无源射频识别电子标签由天线和标签芯片 两部分组成，其中，标签芯片包括射频模拟前端电路和数字基带电路以及存储 器。模拟前端一般包括以下几个部分： 一整流电路 稳压限流保护电路 反向散射调制电路 解调电路 5 第一章序言 时钟产生电路 上电复位电路 图1 4 无源射频识别电子标签结构图 无源标签芯片工作时所需要的能量完全来源于阅读器产生的电磁波的能 量，因此，整流电路需要将标签天线感应出的超高频信号转换为芯片工作需要 的直流电压，为芯片提供能量。而超高频电子标签处于远场，天线感应的电压 以及获取的能量都要比近场工作的高频电子标签要低，对整流电路提出新的要 求。本文第三章将讨论并介绍整流电路的设计。 相对于高频电子标签，超高频电子标签的工作范围可达数米，所处的电磁 环境是十分复杂的，输入信号的功率可以变化几百甚至几千倍，因此，为了芯 片在大小不同的场强中均可以正常工作。必须设计可靠低功耗的稳压限流保护 电路。本文第四章将对稳压限流保护电路的设计进行说明。 调制与解调电路是标签与阅读器进行通信的关键电路，目前绝大部分的超 高频射频识别电子标签采用的是a s k 调制，本文第五章将讨论适用于e p c c l a s s o 协议的调制与解调电路的设计。 电子标签的数字基带电路是处理指令的控制单元。为使标签在进入阅读器 场区后，数字基带电路可以正确复位，以响应阅读器的指令，必须设计可靠的 上电复位信号产生电路，用来提供数字单元的复位信号。本文第六章将讨论上 电复位信号产生电路的设计。 在射频识别标签中，时钟模块的功能主要是给数字基带提供稳定的时钟信 6 第一章序言 号。在低频( 1 3 5 6 m h z ) 射频识别标签芯片中，时钟模块可以直接从载波信号 中恢复【1 2 】。而在超高频应用中，由于载波频率太高，采用上述方法是不可行 的，因此多采用在片内设计振荡器得到所需时钟。本文第七章将讨论频率稳定 的时钟产生电路的设计。 总的来说，本文研究的主要工作重点集中在超高频射频识别电子标签芯片 中的模拟前端电路单元的理论分析、性能优化和低功耗设计实现上。 7 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 图2 1 为射频识别系统的示意图。对射频识别系统来说，阅读器和应答器 之间的能量数据传输是以电磁场为理论基础的。通讯理论则包括基带数字信号 的调制和解调、编解码及协议标准。因此，为了理解和设计射频识别系统，我 们必须对电磁场理论有个基本的理解和掌握，这是设计性能良好的系统的基础。 而通讯理论也是调制解调电路设计的基础。本章将首先回顾电磁场理论，对超 高频射频识别系统的能量传输和调制反射进行分析，然后对信号传递的调制方 式、数据编码进行阐述，最后介绍e p c 协议标准中的通讯协议。 图2 1 射频识别系统示意图 2 1 麦克斯维方程和电磁场理论 由电磁学的基本知识，可以知道变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电 场。而当电场是连续交变的则将产生连续交变的磁场，连续交变的磁场又将产 生连续交变的电场。由于随时间变化的电场与磁场的相互依赖关系，于是在空 问中有一系列的电场和磁场效应。麦克斯维方程对电磁场的这种性能进行了描 述 1 4 1 。 v x e = 抄b v 。日2 j - j w d ( 式2 1 ) v d = p v b = 0 其中： e ：电场强度( v ，m ) h ：磁场强度( a m ) b ：磁感应强度( t ) 8 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 d ：电位移矢量( c m 2 ) j ：电流密度( a m 2 ) d ：电荷密度( c m 3 ) 电荷电流守恒的连续性方程如下： j w p + v j = 0 ( 式2 2 ) 该方程结合麦克斯维方程就形成了电磁场的基本方程。 还需介绍的一个参量是电磁能流密度( 又称坡印亭矢量，p o y n t i n g ) ： s = e x h( 式2 3 ) 坡印亭矢量的方向代表电磁能传递的方向，其大小代表单位时间流过与之 垂直的单位面积的电磁能量。根据电磁波的e 、h 及传播方向构成的右旋系的 性质可以看出，电磁波的能量密度矢量s 总是沿着电磁波的传播方向( 如图2 2 ) ， 即能量总是向前传播的。 图2 2 坡印孕矢量不惹图 电磁波中e 和h 都随时间迅速变化，式2 3 给出的是电磁波的瞬时能流密 度。在实际中更为重要的是它在一个周期的平均值，即平均能流密度： s = 吉r o i e h ( 式2 4 ) 其中h 是h 的共轭复数 在一个没有电荷和电流密度的区域内，电场和正交耦合的磁场会通过介质 在正交的方向上传播，这就是电磁波。天线的设计就是为了产生发射电磁场和 电磁波。 为了以后进一步讨论的方便，下面还将继续介绍几个在无损介质和自由空 间电磁场中的基本参量。 真空波数：= w 瓦i = 7 w = 孚= ( 式2 5 ) l 波阻抗：玑2 等 式2 - 6 ) 及波的传播速度( 相速) v = 拳= 詈( 式2 7 ) 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 其中： c = 自由空间光速= 3 x 1 0 8 ( 肌d 8 f 真空介电常数= 8 8 5 4 2 1 0 - ”( f m ) = 真空磁导率= 4 万1 0 - 7 ( h m ) 电位移矢量与电场强度之间的关系：d = 岛e ( 式2 8 ) 磁感应强度与磁场强度之间的关系：b = z o h ( 式2 9 ) 通过以上基本方程和重要参数，可以深入分析和理解磁场和电磁场的产生 和传播。 2 2 天线辐射理论 在超高频射频识别系统中，阅读器通过天线将电磁波发射到空间并将能量 和信号传送给标签，而标签是通过天线从所处的电磁场中获取能量与信号并将 自身信息通过调制反射从天线返回。为了更方便的理解超高频射频识别系统中 阅读器与标签之间的电磁波连接关系，在本节中将通过麦克斯韦方程对天线的 辐射理论进行一些简单介绍和推导，得到天线辐射场的近场与远场模型，并结 合超高频射频识别系统中的实际应用得到阅读器与标签直接的能量传递关系及 调制反射关系。 我们用最简单的理想偶极子天线来讨论其辐射特性。所谓理想偶极子天线 是指长度极短的一小段天线，这段天线上的电流可以假定为均匀的。根据一般 电磁场理论的文献，理想偶极子产生的电场强度与磁场强度为： e = 石i d l 砺尸, 2 如哧+ 品可p 咖痧 c 式2 加， 一罢伽s 研击+ 南p 卅” 。一， 一等廊；n 畴+ 两1 + 西妇e 咖疹 研究以上关于电场和磁场的公式，可以看出电场和磁场的大小决定于距天 线的距离r 。当p r 1 ( 或者是，3 , 2 z r ) 时，三阶项占主导。在这个距离， 电场以1 r 2 衰减，磁场以1 r 3 衰减。定义该区域为近场。当勿1 ( ，2 2 ；r ) 时，一阶占据主导，这时电场和磁场都以1 r 衰减。定义该区域为远场。图2 3 展示了1 3 5 6 m h z 频率下随距离变化对应磁场强度变化。 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 为了进一步简化公式2 1 0 和2 1 1 ，我们发现在近场r 1 的情况下，不仅 三阶项占主导，而且p 一步也接近于1 。可以将式2 1 0 和2 1 l 简化成以下公式： e 矿：一竺r o s i n o f f ( 式2 1 2 ) 斗石 = 一，丽i d l ( 2 c o s 劳+ s i n e # ) ( 式2 1 3 ) 从以上公式可以看出，磁场的表达式是个虚数，也就是说磁场和电场相差 个9 0 度的相位差。这说明是一个可再生的能量场，能量基本上是在电场和磁 场之间储存和释放。在这种情况下，计算坡印亭矢量，可以看出没有实的能量 流出。近场情况下，电磁场基本上是个准静态场。 h j扪一 卜 、 i 岬 d 捌d e ca d o 、 “ne a，叁。i if t【r f峙l 缸 、 、 、 t o o ,h w m h 、io d b 叫 k d i s t a n c e m ) 图2 31 3 5 6 z 频率下随距离变化对应磁场强度变化图 考虑在远场所1 的情况下，一阶项占主导，电磁场公式可化简为： e 盯= ；! 1 1 7 0 e - j - e r s i i l 缈 ( 式2 1 4 ) | 刀 日矿：，竺肪一胗s i n 甜 ( 式2 1 5 ) 4 z r r 从公式2 1 4 和2 1 5 可以看出，电场和磁场的表达式都是虚数，且相差1 8 0 度的相位差，在极坐标上是正交，都以1 r 衰减，并且电场与磁场的幅度之比等 于匕以= ，正好是波阻抗。计算坡印亭矢量，可以看出有实的能量密度， 说明在传播能量。电磁场在远场情况下延续成电磁波。这一点对我们超高频射 频识别来说非常重要，在超高频射频识别系统中，阅读器就是通过电磁波将能 量传递到电子标签的。 一，蕾pz喜贮翁ple芷 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 2 3 射频识别系统中的能量传递和调制散射原理 由上一节可知，在天线近场中能量是准静态的，低频的射频识别系统主要 工作在这个区域，基于电感耦合原理，工作距离d d2 2 n , ；而超高频射频识别 系统工作在电磁场远场，工作距离d o 名2 ，通过电磁波辐射来传递能量。下 面将着重讨论在远场下，阅读器天线和标签天线之间的能量传递关系。 首先简单描述一些天线中的基本参量： 1 方向函数f ( o ，妒) ，它表征天线在不同方向上辐射( 或接收) 的相对能力。 2 天线增益g ( o ，矽) ：氅竽盟 ( 式2 1 6 ) 屹 其中u ( o ，妒) 是指在( 口，妒) 方向上每单位立体角的辐射功率。天线增益 g ( o ，奶表示在( 只) 方向上天线与无方向性天线的功率密度比值。通常我们所说 的增益g 都是指天线最大增益。 3 等效辐射功率e r p ( e f f e c t i v er a d i a t e dp o w e r ) ，表示天线输入功率乘以天 线天线增益和半波偶极子天线增益的比值。 4 等效同向辐射功率e i r p ( e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) ，表示天线 输入功率乘以天线增益和同向天线增益的比值。e i r p 和e r p 的关系为： e 冲= e r p 1 6 4 5 雷达反射截面( r a d a rc r o s s s e c t i o na r e a ) o ，表示目标反射电磁波的能力。 从雷达技术中可知，电磁波被大小超过波长一半的物体反射。一个物体反射电 磁波的效率是通过其反射截面积来表征的。由于反射截面积对波长的严重依赖， 可分为三种情况： 1 ) 瑞利范围：与目标尺寸相比波长较大。对小于大约半波长的目标来说， o 具有对矿的依赖，以致小于o 1 九的目标反射性能在实际中可以完全忽略不计。 2 ) 谐振范围：波长与目标尺寸相当。波长发生变化时，使。围绕几何值波 动数个分贝。 3 ) 光学范围：与目标尺寸相比较小。只有目标的几何形状和位置( 电磁波 的入射角度) 对反射截面有影响。 在超高频射频识别系统中，主要应用的是谐振范围反射面积的变化。 下面讨论阅读器天线和标签天线之间的能量传递。 电磁波从阅读器天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。达到目标的高 频能量的一部分被目标吸收，并转变成热量，另外一部分以不同的强度散射到 各个方向。反射能量的小部分最终返回到发射天线。在雷达技术中，用这种反 射测量远程目标的距离和方向。 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 对超高频射频识别系统来说，用电磁波反射( 反向散射系统，调制的雷达 横截面) 进行从标签到阅读器的数据传输。因为目标的反射性能一般随着频率 上升而增强，所以这些系统主要使用9 0 0 m h z ，2 4 5 g h z 和更高的频率范围。 由阅读器产生的高频从阅读器天线均匀的辐射到空间的所有方向上去。到 达标签天线的功率密度 s ：坠嗥：婴 ( 式2 1 7 )d5 广2 4 7 r r s。a2 1 其中g 。是阅读器天线增益，e 。，是阅读器的发射功率，r 为阅读器 和标签之间的距离。 标签天线有效面积4 一。= 曼鱼乞芋! ，其中g 衄。是标签天线增益，a 是载 波频率。 那么标签能获得的功率为 一e2 s a , 一2 e i r p g 姆一一( 4 - 鲁r r z r r ) s = k 一一一一( 2 ( 式2 1 8 ) 以欧洲的标准为例，e i r p = 8 2 5 m w ，载波频率为8 6 5 m h z ，标签增益 岛。= 2 1 5 d b = 1 6 4 ，距离为2 m ，可以算得标签获得的功率为2 5 7 u w 。 类似的，反向散射也可以进行如下推导。 如果标签得到的能量被全部反射，那么阅读器从标签获得的功耗为： z m ，一w = f ：h 9 2 m w + 9 2 螂一一( i 4 ( 式2 1 9 ) 如果用有效面积取代天线增益，那么 k ：p 竺a 等sl a 二s 然( 式2 2 0 ) 4 4m m 一。 由上两式可以看到，阅读器获得功耗是和距离四次方成反比，距离增加一 倍，功耗减小为原来的1 1 6 。 用上面的参数计算，假设舅。= 1 0 d b = 1 0 ，那么阅读器从标签获得的 最大功耗为o ，8 u w ，即- 3 1 d b m ，而标签的有效面积是1 5 7 e m 2 。考虑到实际情况中 非1 0 0 能量反射，以及其他物质对电磁波的吸收，能获得的能量更小了。 如果引入雷达反射截面积o ，员i j 反射功率可以改写如下 k 。= 等i a c 础= e i r p 。删一6 4 。允r 3 r 4 a 可见阅读器获得的反射功率与散射截面及阅读器天线增益成正比。因为天 线阻抗是固定的，要改变散射截面，一般通过调制标签电路的阻抗实现。图2 4 第二章射频识别系统的物理基础塑堕望原理 是标签电路的简化模型，天线等效为带阻抗的电压源，i c 电路阻抗为z , l l c 。 图2 4 标签电路的简化模型 标签电路有效功耗可表示为： t ，2 t - 2 y 一时2 专2 砝p - p 拭2 2 2 如果一埘，= 毛一站，即一。= 一z 且风一。= 一如一贮，阻抗匹配 能量传输最大，此时没有反射，即o = o 。 如果天线短路或开路( z 姆一。= o 或一。= 0 0 ) ，所有能量将被以电磁波 形式反射回空间。所以最大的散射截面为 = 4 一姆一。= 笔磊一。 反射能量大小由电路负载和天线负载不匹配程度决定。定义反射系数为反 射电压幅度和瞬时电压幅度之比。 k ，毛l 舞2 。l 舞2 而不同电路负载对应不同的散射截面o q ，2 = 4 一坤一一 ( 式2 2 6 ) 实际标签有效功率为 一彤一。= 一贮一一。一町= 一石c 一隆2 t a g 一。l c + - - z t u g 一。a n _ _ t 1 2 ，e 式2 刀， 由公式2 2 6 和2 2 7 可以看出，在反射和获得功率之间有个权衡。要使标签 获得最大的能量，必须使反射最小；而要提高阅读器接收到的反射信号的信噪 1 4 第二章射频识别系统的物理基础和通讯原理 比，则标签获得能量最小。我 f 】可以通过在时域上减小反向散射的时闻来获得 平均有效能量的最大化。 2 4 信号调制 将源信息加载在频率为e 的载波信号上，从而改变其幅度、相位的过程称 为调制。当通过无线通道传输信息时，通过调制将基带信号附加到载波信号上。 对于一个一般的基带波g ( 0 ，以载波频率为调制的通带信号可以写为； v ( 0 = r e g ( t ) e j * j = g ( f ) c o s ( w ：) ( 式2 2 8 ) 频谱为 1 y ( 厂) = 妄【g ( 厂一z ) + g ( - f - l ) ( 式2 2 9 ) 能谱密度为： 1 p s d ( f ) = 去t p s d , c ：一f , ) + p s d 。( - 厂一z ) 】( 式2 3 0 ) 1 由式2 2 9 ，通过调制使得基带信号的频谱以正负载波频率对称，且每个幅 度都减半。由式2 3 0 ，能谱密度也有相同的效应。 现有的调制技术中有模拟调制和数字调制。而射频识别系统采用的调制方 法为