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电子标签RFID技术和应用解析目 录第1章 绪论411 RFID系统41. 2 物联网基本原理521 原理及分类5211 射频识别系统的工作过程6212 射频标签的分类62. 2 电子标签8221不同频段标签详细介绍8222电子标签的形式102. 3 读写器102.3.1 射频天线部分112.3.2 DSP部分2724其他关键技术352.4.1 蚀刻工艺352.4.3 丝网印刷362.4.3 电镀工艺372.4.4 布线工艺382.4.5 绕制工艺38第3章 RFID应用系统3831 RFID应用系统及前景展望38311主要应用领域39312应用分类与选型3932 RFID在物流领域的应用40322 RFID在物流运输管理上的应用4033 RFID在邮政领域的应用41334 工作流程411支局作业4134 RFID在民航领域的应用44341需求分析4435 RFID在交通方面的应用44353 RFID小区停车场管理4436 RFID在票务方面的应用45363 电子火车票系统453. 7 RFID在防伪方面的应用47371烟类产品的防伪473. 8 RFID在身份标识方面的应用55382 宠物管理553. 9 RFID在其他方面的应用593. 9. 1RFID用于食品管理603. 9. 2 应用于医疗行业61394RFID应用于煤矿管理64395BFID应用于军事领域65第4章664. 1物联网国内外发展现状6642EPC系统介绍67421 EPC简介67422 EFC系统的结构组成67423 EPC国内外发展现状704. 3UID系统介绍714. 3. 1 UID技术体系结构71432 UID编码体系744. 3. 3 U-code标签分级74434 UID技术的实际应用794. 4 中国物联网建设804. 4. 1 信息安全与国家物联网80442 中国国家物联网建设81第1章 绪论11 RFID系统自2004年以来，与RFID(Radlio Fregucncy Identification)技术相关的文章在各个媒体上不断涌现。无论是沃尔玛、IBM、HP、微软，还是美国国防部、中国国家标准委，都与RFID联系了起来。 RFID(射频识别)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种环境之下。RFID技术可同时识别多个标签操作快捷方便。RFID有以下三大特点：第一，可以标识每个物体，而不像条形码是用来识别一类物体;第二，可以非接触远距离地同时对多个物体进行识读，而条形码只能在非常近的距离一个一个地识读;第三，储存的信息量非常大。RFID系统一般由3部分组成，如图1l所示。电子标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有钉唯一的RFID编码，附着在物体上标识目标对象，一般情况下，标签已经包含了标签天线。读写器(Reader)：读取(或写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式天线(Antenna)：在标签和读写器间传递射频信号。其工作原理为：当标签(一般为无源标签或被动标签，passive Tag)进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者标签(有源标签或主动标签，Active Tag)主动发送某一频率的信号，读写器读取信息并解码后，送至后台管理信息系统进行数据处理。1. 2 物联网基本原理物联网(Internet of Things ,IOT)是在Internet基础上，利用RFID、无线数据通信等技术构造的一个实现全球物品信息实时共享的网络。物联网结构示意图如图12所示。其基本内容大致可分为5个部分，即电子标签读写器。IOT-MW(Internet of Things Middle Ware)、IOT-NS(Internet of Things Name Service)、IOT-IS(Internet of Things Information Service)。在物联网系统中，每个物品都被赋予一个RFID码存储于物品上的电子标签中。同时这个代码所对应的详细信息和属性（包括名称和类别、生产日期保质期等)被存储连IOT-IS中。读写器对电子标签进行扫描后将读取到的RFID码发送给IOT-MV（中间件)。中间件服务器通过Internet向相关的IOT-NS(域名解析服务)服务器发出一条查询指令，IOT-NS服务器收到查询指令后，根据规则查得与之相匹配的地址信息就像Internet中的DNS(域名服务器，Domain Name Server)的功能一样，同时引导中间件服务器访问存储在该物品详细信息的IOT-IS信息发布服务)。IOT-IS接收到查询信息后，就将物品的详细信息以网页的形式发送给中间件，从而获得与物品对应的详细信息。跟条形码一样RFID码用一串数字代表产品制造商和产品类别。不同的是，RFID码可以保证对每个单个物品的标识和识别。RFID码与数据库里的大量数据相联系可获得产品更多的详细信息，包括产品的生产地点和日期、有效期、应该运往何地等。并且这些数据可以实时更新由此一个全新的物联网就建立起来了。第2章 RFID技术21 原理及分类射频识别(RFID)技术是利用感应、无线电波或微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别系统。射频识别系统通常由标签和读写器(含天线)两部分组成，详细结构如图2l所示。211 射频识别系统的工作过程读写器(在只读的情况下经常称为阅读器)在一个区域内发射射频能量形成电磁场，作用距离和范围的大小取决于发射功率和天线。标签通过这一区域时被触发，发送存储在标签中的数据，或根据渎写器的指令改写存储在标签中的数据。读写器可以与标签建立无线通信，向标签发送数据及从标签接收数据，并能通过标准接口与计算机网络进行通信。从而实现了射频识别系统的顺利工作。212 射频标签的分类1根据射频标签工作方式可以分为主动式和被动式2种类型。 (1)主动式标签。 用自身的射频能量主动地发射数据给读写器的标签是主动式标签。主动式标签含有电源。 (2)被动式标签。由读写器发出的信号触发后进入通信状态的标签称为被动式标签。被动式标签的通信能量从读写器发射的电磁波中获得，它既有不含电源的标签，也有含电源的标签。含有电源的标签，电源只为芯片运转提供能量，这种标签也成为半主动标签。2. 根据射频标签的读写方式可以分为只读型和读写型2种类型。（1） 只读型标签。 只读标签。只读标签的内容在标签出厂时已被写入，识别时只可读出，不可再改写。存储器一般是由ROM组成。 一次性编程只读标签。标签的内容只可应用在前一次性编程写入，识别过程中标签内容不改写。一次性编程只读标签的存储器一般由PROM、PAL组成。 可重复编程只读标签。需要时标签内容经擦除后可重新编程写入，识别过程中标签内容不改写。可重复编程只读标签的存储器一般是由EPROM或GAL组成的。（2） 读写型标签。识别过程中，标签的内容既可被读写器读出，又可由读写器写入的标签是读写型标签。读写型标签可以只具有读写型存储器(如ROM或EEROM)，也可以同时具有读写型存储器和只读型存储器。3根据射频标签的有无电源 可以分为无源标签和有源标签2种类型。（1） 无源标签标签中不合有电池的标签称为无源标签。无源标签工作时一般距读写器的天线的识读距离比同频段有源标签近一些。无源标签使用寿命长。（3） 有源标签标签中含有电池的标签称为有源标签。有源标签距读写器的天线距离较无源标签要远。有源标签需定期更换电池。4根据射频标签的工作频率一般可以分为低频标签、高频标签和微波标签3种类型。（1）低频标签工作频率在500kHz以下的标签称为低频标签。如动物识别标签、行李识别标签等。（2）高频标签工作频率在500kHz到1GHz的标签称为高频标签。如电子门票、门禁控制标签等。（3）微波标签工作频率在l GHz以上的标签称为微波标签。如集装箱自动识别用标签、高速公路不停车收费用标签等。5根据射频标签的工作距离可以分为远程标签、近程标签和超近程标签3种类型。（1）远程标签。工作距离在100 cm以上的标签称为远程标签。（2）近程标签。工作距离在10100 cm的标签称为近程标签。（3）超近程标签。工作距离在0.2cm至10 cm的标签称为超近程标签。2. 2 电子标签221不同频段标签详细介绍 电子标答的工作频率是其最重要的特点之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理、识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分。典型的工作频率有：125kHz，134kHz，13.56MHz，27.12MH2，433MH2，900MH2，2.45GHz，5.8GHz等。低频段电子标签 低频段电子标签的典型工作频率有：125kHz，134kHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1m。 低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别和电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。与低频标签相关的国际标准有：ISOll78411785(用于动物识别)、IS018000-2(125135kH2)。低频标签有多种外现形式，应用于动物识别的低频标签外观有：低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点：工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织和木材等；非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用(如动物识别)等。低频标签的劣势主要体现在：标签存储数据量较少：只能适合低速、近距离识别应用。中高频段电子标签中高频段电子标签的典型工作频率为：13.56MHz。该频段的电子标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作。此类电子标签一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1m(最大读取距离为1.5m)。高频标签可以方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证和电子闭锁防盗(电子逻控门锁控制器)等。相关的国际标准有：IS014443、IS015693、IS018000-3(13.56MHz)等。高频标准的基本特点与低频标准相似由于其工作频率的提高，可以选用较高的数据传输速率。电子标签天线设计相对简单标签一般制成标准卡片形状。超高频与微波标签超高频与微波频段的电子标签，简称为微波电子标签，其典型工作频率为：433.92MHz，862(902)一928MHz，2.45GHz，5.8GH2。微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，电子标签位于读写器天线辐射场的远区场内，读写器天线辐射场为无源标签提供射频能量，或将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为47m，最大可达几百米以上。读写器天线一般均为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签方可被读写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在通信区域中同时出现多个电子标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求，进而这种需求发展成为一种潮流。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。 就目前技术水平来说，这个频段的无源标签比较成功的产品相对集中在902928MHz工作频段上。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源及有源标签产品面世。半无源标签一般采用纽扣电池供电，具有较远的阅读距离。 微波段电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用、读写器的发射功率容限、电子标签及读写器的价格等方面。对于可无线写的电子标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。此频段电子标签的数据存储容量一般在2 kbit以内，再大的存储容量似乎没有太大的意义，从技术及应用的角度来说，电子标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：1 kbit，64 bit，128 bit等。 此频段电子标签的典型应用包括：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用和电子闭锁防盗(电广遥控门锁控制器)等。相关的国际标准有：ISO10374，IS018000-4(2.45GHz)，-5(5.8GHz)，-6(860930 MHz)-7(433.92 MHz)和ANSI NCITS26-1999。根据以上叙述，现将工作在不同频段的电子标签的特点进行总结，如表21所示。222电子标签的形式电子标签不受“卡”的限制，形态及材质也有多姿多彩的发展空间。其产品可分为标签类、注塑类和卡片类3大类。1. 标签类带自动粘贴功能的标签，可以在生产线上由贴标机粘贴在箱、瓶等物品上，或手工粘在车窗(如出租车)上和证件(如大学学生证)上，也可以制成吊牌挂或系在物品上，用标签复合设备完成加工过程。产品结构由面层、芯片线路(INLAY)层、胶层和底层组成。面层可以用纸、PP、PET(印刷或不印刷)等多种材质做成产品的表面；芯片线路(INLAY)有多种尺寸、多种芯片、多种EEPROM容量，可按用户需求配置后定位在带胶面上；胶层由双面胶式或涂胶式完成；底层有两种情况：一为离型纸(硅油纸)二为复合层(按用户要求)。成品形态可以为卷料或单张。2. 注塑类可针对不同应用而采用各种塑料加工工艺，制成内含Transponder的筹码、钥匙牌和手表等异形产品。3. 卡片类卡片类又根据采用封装材质的不同，可分为PVC卡片、纸和PP卡。其中PVC卡片类似于传统的制卡工艺即印刷、配Transponder(INLAY)、层压和冲切。可以符合ISO7810卡片标准尺寸，也可按需加工成异形。纸和pp卡则由专用设备完成，它在尺寸、外形、厚度上并不作限制。结构由面层(卡纸类)、Transponder(INLAY)层和底层(卡纸等)粘合而成。2. 3 读写器读写器是RFID系统中的重要组成都分，也是前端系统与后台系统的接口读写器可以固定安装也可以手持应用。 读写器的接收范围受到很多因素的影响，例如：电波频率、标签的尺寸形状、读写器的功率、金属物体的干扰和其他射频装置等。一般来说，低频被动标签的接收距离在l英尺(1英尺30.48cm)以内，对于高频被动标签的接收距离则在3英尺左右，对于超高频标签的接收距离在120英尺。对于使用电他的半主动和主动标签，读写器可以接收到300英尺远其至更远的信号。 和收音机道理一样，射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。每一种频率都合它自身的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。不同的国家有不同的频率标准与要求，例如欧洲的超高频是868MHz，美国的超高频是915MH2。日本目前允许将超高频用到射频技术中，同时也通过调整读写器的电源来限制它对其他设备的影响。有些组织，例如全球商务促进委员会正鼓励政府取消限制。标签和读写生产厂商也是在开发能使用不同频率系统来避免干扰问题：由于不同的频率有不同的特点，因此它们的用途也是形形色色。例如，低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，它们最适合用于含水成分较高的物体，例如水果等。超高频作用范围厂，传送数据速度快，但是它们比较耗能，穿透力较弱作业区域不能有太多于扰，适合用于监测从港口达到仓库的物品。射频技术遇到的个问题就是读写器冲突，即个读写器接收到的信息和另外一个读写器接收到的信息发生冲突，产生重叠。解决这个问题的一种方法是使用TDMA技术，简单来说就是读写器被指挥在不同时间收发信号，而不是同时，这样就保证了读写器不会互相干扰。但是在同一区域的物品就可能被读取两次，因此就要建立相应的防碰撞机制去避免这种情况的发生。 射频读写器通过多种方式和标签传送信息，读写器利用天线在周图形成电磁场，被动标签从电磁场中接收到能量然后将信号发送给读写器，读写器获得标签电子携带的产品代码。目前还不是所有的读写器都能支持不向种类的标签。很多公司生产的读写器只支持新的电子产品代码，或只支持某些生产厂商生产的特定标签。读写器和标签一样，得通过具体的需求决定其使用的种类和数量。例如，需求是管理进出仓库的库存，读写器可以安装在码头货物进出的舱门上。如果是用来管理送给特定客户的产品，那读写器应该不仅仅装在舱门上，还应该装在卡车上。如果是用来控制零售货架，固定或是手持装置可以来用，从而方便统计出库记录和计数。下面介绍读写器射频天线部分，并简要介绍DSP部分。2.3.1 射频天线部分天线处RFID读写器系统的最前端，是RFID读写器的重要组成部分，读写器天线所形成的电磁场有效作用范围、强度和形状决定了标签感应的强度、作用距离和范围大小。读写器天线的输入参数，如阻抗、带宽，则影响RFID读写器与天线的匹配程度，影响读写器的有效功率及数据发送和接收的好坏，因此天线性能对整个射频识别系统的性能具有重要影响。 RFID应用的频率范围相当宽，就工作方式而言大致可分为磁场耦合和电磁后向散射两大类，工作原理有很大不同，天线设计时所关注的内容也有很大不同， 下面将分别介绍两种工作方式下天线的设计方法。1 磁场耦合式RFID天线（1）磁场耦合式天线概述。 磁场耦合式天线是低频和高频频段RFID应用中广泛采用的天线形式，其基本形式是由线圈绕制巾成，在实际应用中，存在多种制作方法，可以出金属线绕制，也可以是在介质板上印刷而成，当交变电流在线圈中流动时，就会在线圈周围产生较强的磁场，磁场穿过线圈的磺截面和线圈周围空间，由于电磁波的波长比读写器和标签之间的距离大得多，可以把读写器与传感器之间的电磁场简化为交变磁场来研究，读写器就是通过磁场耦合的方式与标签通信的。磁场耦合式天线设计具有不同于一般天线设计的特点，在设计过程中主要关心的参数有： 线线圈的电感。天线线圈的电感是设计主要关心的参数，要想使天线获取较大的电流，通常将天线线圈、电容器和电阻串联在一起，组成串联谐振电路，因此在设计时必须确定线圈的电感值L然后根据谐振频率求得所要求的电容,计算公式如下：电感值可以通过线圈的具体形式计算出来，对于特殊的结构，如圆形、方形线圈，有一些经验公式可以估算其电感位，而对于更般的结构，一些商用的电磁计算软件提供了计算其电抗的仿真方法，该方法具有较高的精度，可以满足设计的需要：利出测试的方法列以获取天线线圈的具体电感参数。利用LCR表可以测量电抗和电阻值，可以用来近似代替在谐振频率时的值；对于精确的测量，可以利用射频阻抗分析仪，例如，惠普HP4192A或安捷仑4294A，测量天线在谐振频率下的电抗和电阻位。 天线线圈的面积。 实验和计算表明，线圈天线的磁场分布与线圈的面积具有直接的关系：在与线圈天线距离很小时（xR的情况下，场强的变化比较缓慢，当超出这个范围后开始显著下降，较小的天线在近处呈现较高的场强，而面积较大的天线在较远处(xR)的场强明显较高。图22给出了距离为01m的4种不同天线的场强曲线，在每种情况下具有相同的电流和线圈匝数，不同的只是天线的半径R。 线圈天线的值。 线圈天线的性能与线圈的值具有很大关系，般来说，线圈的值越高，谐振电流就越大，周围的场强也就越强由此改善标签的功率传输特性。另一方面，线圈天线的带宽与品质因数成反比，过高的品质因数会导致带宽缩小从而明显地降低标签收到的调制边带。许多系统给出=1030为最佳的品质因数值，事实上品质因数取决于所需的带宽和调制的方法，需要根据具体的应用以达到最佳的效果。图2-3给出了一款 13.56MHz天线的品质因数与调制带宽关系的示意图。（2）低频磁场耦合天线。 低频磁场耦合天线的构成比较简单，通常可以采用线圈绕制或者在印制电路板上印刷的方法，而13.56MHz的线圈天线的典型值则仅有35匝。此时，天线导线与天线线圈的尺寸比高频电流的波长（2200m）小若干个数量级，因此信号可按稳态信号来处理，高频电流的电波特性可忽略不计，可以不考虑阻抗匹配的问题。天线设计时，只需要考虑线圈的电感是否满足谐振的要求。同时，对于某些读写器还要考虑串联电阻，以确定线圈中的电流。 图2-4为一个带有天线的135KHz读写器的示意图。（3）13.56MHz读写器天线设计举例。 13.56MHz属于高频频段，此时高频电流的电波特性比较明显，谐振的阻抗匹配是天线设计的主要问题，下面分别介绍近距离读写器天线和远距离读写器天线的设计实例。近距离读写器天线。 近距离读写器线圈天线多在PCB上腐蚀而成，其制作方法简单，有利于大规模生产，线圈天线一般由印刷线圈和匹配电路构成，图2-5是一个13.56MHz读写器的线圈天线版图。该线圈天线的原理图如图2-6所示。 图26中L为印刷线圈电感，尺寸小大约为50mm60 mm，印刷的圈数为3匝：、为匹配电容，其作用是将天线的输入阻抗设计为50，与读写器的输出阻抗相匹配、为外加阻尼电阻，与天线线圈的损耗电阻一起，使天线电感线圈的值在要求的范围内。 元器件的值是是在线圈电感和测定的情况下计算出来的,假定C1，VC1的并联值为;、的并联值为；、的并联值为；则有 假定测得的线圈电感，将，代入上述公式得到：，。取， (可调电容)，（可调电容）。远距离读写器天线设计。13.56MHz读写器常用于门禁管理等远距离射频识别系统中。在这些系统中应用的线圈天线具有较大的体积，一般采用铜箔带或铜管制成，圈数只有一匝，线圈工作时具有较高的电流与之匹配的电容和电阻要承受较高的电压和功率。图27是一个用于门禁的13.56MHz天线的实例图。图28为该天线的原理图。 该线圈天线的大小为1000mm600mm，由导电系数很好的铜箔在硬介质板上绕制而成，铜箔带的宽度为50mm，测量可得线圈的电感值为2.2，根据公式：可求得谐振电容，设计中采用抗高压的1080可调云母电容，也可采用固定云母电容并联可调电容，来调谐天线的谐振频率，取附加此时约为20，如图2-9所示。电阻应采用高功率的电阻，根据天线输入功率确定。T型匹配电路的尺寸，如图2-10所示。T型匹配电路由12mm宽的铜箔带构成同轴线的分支至少要分开50mm。天线设计基本完成，最后的工作是调节可调电容使天线处于谐振状态，具体的方法是：将天线接于3.56MHz读写器，或信号发生器，两者之间串接驻波分析仪，调节可调电容，使天线的输入驻波比在要求的范围。注意，在接通电源的情况下，不要接触线圈谐振电容因为在工作状态下。电容会由于谐振而产生高压调节电容的工作应在断电后进行。2 电磁波后向散射式RFID天线（1）天线设计概述 电磁波后向散射式天线工作在超高频和微波波段，该波段的天线具有多种不同的形式。也有许多成熟的理论和实际方法，RFID系统对天线的带宽，增益，大小，相对位置，提出了特殊的要求，这些参数都会对数据的发射和接收产生很大的影响，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。下面着重介绍天线的基本原理和应用于该波段RFID系统天线的常见形式及基本设计方法。 方向函数和方向图通常使用方向函数来描述天线在空间不同位置的辐射情况。如图2-11所示，在三维空间中可以将方向函数的图形画出来，以形象地描述天线在立体空间的辐射。场强的方向函数通常用表示。归一化的方向函数定义为 归一化场强方向函数为方向图包括立体方向图和平面方向图，归一化方向函的三维立体图形称为立体方向图，立体方向图在某一平面上的投影称为平面方向图。对线极化天线。包含最大辐射方向且平行于E的平面称为E面：包含最大辐射方向且平行于H的平面称为H面。E面和H面合成主面。作为例子，图2-11给出了电流元，磁流元的方向图。 天线增益。 为了描述天线辐射功率，考虑了损耗因素后在空间集中的程度，先引入天线增益的概念。在输入功率相同的条件下，定向天线在空间某方向的辐射功率密度与无损耗的点源天线在该方向辐射功率密度之比，称为天线增益，记为，即方向系数和天线效率的关系为天线输入阻抗和辐射阻抗。发射时，天线相当于读写器输出馈线的终端负载，其输入阻抗定义为天线输入电压与输入电流之比。，其中，,分别为阻抗的实部和虚部。 天线的辐射功率相当于在一个等效阻抗上锁产生的损耗。这个等效阻抗称为辐射阻抗，。其中，为参考电流，分别为输入阻抗的实部和虚部。 天线带宽。天线的主瓣宽度、增益、方向图、匹配特性和极化特性等参数严格地说都是频率的函数。因而天线频带取决于各天线参数对频率的敏感性，同时也与总体设计对各天线参数变化范围的要求有关。 一般而言，由天线的各电参数所允许的变化量所确定的频率范围即是天线的带宽。工程上一般的带宽定义为：以中心频率(最佳工作频率，也称谐振频率)为基准，向两边增加和减小而引起功率下降3dB的频率范围称为带宽，例如EPC给出的带宽范围为895MHz35MHz。我国目前物流射频识别暂用带宽为915MHz*13MHZ，表示中心频率为915MHz，带宽为26MHz。天线输入驻波比。 天线有效工作的一个重要因素就是读写器输出的源信号能通过天线发射出去，这就要求读写器的馈电系统与天线之间要匹配好。天线驻波比是反映馈电系统与天线匹配程度的参数。驻波比的定义为 式中，称为终端反射系数，称为馈线的特性阻抗，当=时，=0，理论上=1，这时馈电系统输送给天线的能量就可以全部发射出去。在实际情况下，由于设计出现的误差和损耗，很难达到这个要求。 （2）后向散射式RFID系统常用的几种天线形式。 振子单元天线 在远距离RFID应用系统中，一种常用的天线是对称振子天线(又称偶极子天线)，振子天及其演化形式如图212所不，其中振子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围的空间激发起电磁场。利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程：式中为沿振子臂分布的电流；为相位常数；是振子中点到观察点的距离；为振子轴到的夹角；为单个振子臂的长度。同样，也可以得到天线的输入阻抗、输入回波损耗、阻抗带宽和天线增益等特性参数。当单个振子臂的长度时（半波阵子），输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，简单的偶极子天线设计可以取振子的长度为的整数倍，如工作频率为915MHz的半波偶极子天线，其长度约为16cm。当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图2-12中（b）所示的折合振子天线。图213给出了一款应用于915MHz射频识别系统的振子单元天线的实例图 微带天线。 微带天线也是一种常用的天线形式，在许多领域中得到了广泛的应用，图214给出了一种常见的微带天线的形式。一般情况下，微带天线是在敷铜板的一个表而上腐蚀出一定形状的贴片。它利用微带线或向轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此微带天线也可看做是种缝隙天线，微带天线具台抛面薄，体积小，重量轻和平面结构等优点，便于获得圆极化容易实现双频段、双极化等，在RFID系统中得到了广泛的应用。天线阵。单元天线是天线设计的基础，在实际应用中，为了提高天线的增益，改善方向图，提高有效作用距离，需要设计天线阵。天线阵是将多个同类天线按照一定规律排列起来形成一个整体的天线。天线阵的方向函数是由单元天线的方向函数乘以阵因子的方向函数得到的。例如二元天线阵的方向函数为式中，为单元天线的方向函数；为二元阵因子的方向函数。对于对称阵子构成的等幅同相二元阵有，式中，为垂直方位角；为水平方位角；为相位常数；为单个振子臂的长度； 为两天线之间的距离；为观察点方向与两天线中点连线的夹角。3.矩形微带天线设计矩形微带天线是微带天线中最常见的一类，它的结构比较简单，理论分析和工程设计的方法都比较成熟，被广泛地应用在RFID系统中。介绍该类大线的设计方法具有重要的实用价值。 微带天线可以采用同轴线、微带等多种方式馈电，频率较低；单元面积较大的微带天线采用同轴馈电较为方便，对于工作在模的矩形微带天线，输入电阻的公式为式中，、分别为微带贴片的两边；为介质厚度；为馈电位置到谐振边边的距离；随的增大而减小；为边上的谐振阻抗，一般为100400；为了与50输入电阻相匹配，应将馈电点移向贴片中部。采用微带线馈电也是一种简单的方法，微带线可以与微带贴片印刷在同一块介质板上，便于实现匹配。矩形微带天线的边的长度可以按照实际需要确定，边可由下式确定：式中，随着一些大型商业电磁计算软件的应用，如HFSS、CST、ADS等，天线的设计方法也发生了很大的变化，这些软件一般具有较好的建模环境和较高的精度，设计者可以在加工之前仿真给定天线尺寸的各种参数，如输入阻抗、方向图和增益等，实际测试的结果与仿真的结果非常接近。 上述微带天线的设计流程可改为：首先计算出微带贴片大致的尺寸，然后在仿真软件中仿真天线谐振的增益，找出最大增益的天线尺寸，若采用同轴馈电，根据计算的大致位置，再利用仿真软件寻找最佳的匹配位置；若采用微带馈电，则可利用仿真软件设计匹配电路。4微带天线实现圆极化的方法圆极化天线的接收随天线的相对位置变化较小，因此广泛应用于标签可能任意放置的场合。同时，圆极化天线具有较好的抗多径的能力，因此目前高速公路不停车收费系统(EFT)使用的是圆极化天线。微带天线实现圆极化的方法很多，可以采用单贴片单馈点、单贴片双馈点、多单元阵等多种方法，其基本原理都是产生两个简并的正交模式，从而产生两个在空间正交的圆极化辐射场并使二者振幅相等、相位相差。单馈点圆极化微带天线无须任何外加的相移网络和功率分配器就能实现圆极化辐射，它是基于空腔模型理论，利用两个辐射正交极化的简并模工作。一个形状规则的单片微带天线点馈电可以产生极化正交幅度相等的两个简并模，但不能形成相位差。为了在简并模之间形成的相差，在规则形状的单片微带天线上附加简并模分离单元，使正交模的谐振频率产生分离。工作频率选在两个谐振频率之间，当简并模分离单元大小选择合适时，对工作频率而言， 个模的等效阻抗相角超前，另个模的等效阻抗相角则滞后，这样就形成了圆极化辐射。选择合适的模分离单元的人小和位置，以及恰当的馈点位置是设计的主要内容。图215为一个典型的单贴片单馈点圆极化微带天线示意图。单贴片双馈点微带天线利用两个馈电点来激励一对正交的简并模，由馈电网络来保证圆极化工作条件，最简单的方式是采用T形分支使两条支路有1/4波长的路程差。图216为该类微带天线的示意图。5RFID圆极化微带天线设计举例图217是一款58GHz右旋圆极化微带天线的示意图，它采用双馈点方式，如图中 A、B两点馈电，从而在微带天线上激发起兼容的TE模TM模，从而形成圆极化辐射。该天线由双面敷铜的介质板腐蚀而成包括贴片单元和馈电网络两部分，天线仿真和测试的结果如图218所示。由图28看出，图2-17所示天线驻波比仿真与测试的结果非常相近，可以做到与系统的较好匹配，实际测试的天线由于引入了馈电馈线等的反射，从而使驻波稍大一点。图219所示是该天线方向图在ADS仿真的结果，任意极化天线的辐射都可以分解为左旋极化和右旋极化的和，如图217中所示在范围右旋极化波幅度比左旋圆极化幅度超过20dB以此该天线为右旋圆极化天线，实际的测试结果与仿真非常接近。以图2-17所示天线为单元，设计一个5.8GHz右旋4单元天线阵如图2-20所示，4个单元馈电的相位分别为，通过一个微带馈电网络来满足上述要求。该天线阵具有大于200MHz的带宽、超过13dB的增益和此单元天线更好的方向图。图2-21为图2-20所示天线阵方向图在ADS下的仿真结果。将一单元右旋微带天线应用在ETC标签端，将4单元天线阵应用在ETC读写器端，制作成的高速公路不停车收费ETC产品，经测试取得了良好的效果。目前国际ETC采用了左旋圆极化的方式。2.3.2 DSP部分DSP，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：u在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。u程序和数据空间分开。可以同时访问指令和数据。u片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块芯片中同时访问u具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。u快速的中断处理和硬件I/O支持。u具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。u可以并行执行多个操作。u支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作重叠执行。从DSP的上述特点可以看出，DSP作为一个微处形器可以代替通用处理器或单片机作为系统的控制内核，另一方而，作为信号处理器，采用数字信号处理技术来代替模拟信号处理技术是现代电子技术的发展方向。DSP发展历程大致分为3个阶段：20世纪70年代理论先行、80年代产品普及、90年代突飞猛进。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU(微处理器)来完成，但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求，直到20世纪70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留布教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事和航空、航天部门。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用，DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至20世纪80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第2代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。20世纪80年代后期，第3代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信和计算机领域。20世纪90年代DSP发展最快，相继出现了第4代和第5代DSP器件。现在的DSP与以前的相比，系统集成度更高，将DSP核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信和计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。经过20多年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电广产品更新换代的决定因素。目前，对DSP爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。1DSP与模拟信号处理的区别数字信号处理技术代替模拟信号处理是当今电子设计发展的趋势，DSP技术已经显著地改变了现代电子产品设计的结构，随着A/D转换和DSP速度的提高，数字处理技术越来越向射频前端靠近。表22给出了模拟和数字信号处理方式的比较。2DSP与通用处理器数字信号处理运算具有区别于通用处理任务的显著持点，比如有限冲激响应滤波器(FIR)。FIR滤波器是做一系列的点积。取一个输入星量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间做乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。为数字信号处理设计的DSP器件必须对此提供专门的支持，从而促成了DsP器件与通用处理器(GPP)的显著区别。 (1)对密集的乘法运算的支持。GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，出采用多个指令周期来做一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽，增加称为结果bit的额外bit来避免溢出。同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。(2)存储器结构。GPP使用冯诺依曼存储器结构。在这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线(一个地址总线和个数据总线)连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。采用两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。处理器存储器的带宽加倍，可以同时为处理器核提供数据与指令，使得DSP可以实现单周期的MAC指令。此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。(3)零开销循环。 DSP算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，因此大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。 与此相反，GPP的循外使用软件来实现某些高性能的GPP则使用转移预报硬件，达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。 (4)定点计算。 大多数DSP更用定点汁算，而不是使用浮点。虽然DSP的应用必须十分注意数字的精确，用浮点来做应该容易得多，但是对DSP来说，廉价也是非常重要的。定点机器价钱比起相应的浮点机器来要便宜，而且更快。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。 (5)专门的寻址万式。 DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块(循环)寻址(对实现数字滤波器延时线很有用)、位倒序寻址(对FFT很有用)。这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的，只有用软件来实现。 (6)执行时间的预测。 大多数的DSP应用(如蜂窝电话和调制解调器)都是严格的实时应用，所有的处理必须在指定的时间内完成。这就要求程序员准确地确定每个样本需要多少处理时间，或者至少要知道在最坏的情况下需要多少的间。 如果打算用低成本的GPP去完成实时信号处理的任务，执行的间的预测大概不会成为什么问题，因为低成本GPP具有相对直接的结构，比较容易预测执行时间。然而，大多数实时DSP应用所要求的处理能力是低成本GPP所不能提供的。 DSP对高性能GPP的优势在于，即使是使用了高速缓存的DSP，指令是从高速缓存还是从存储器中读取、哪些指令会放进高速缓存都是内程序员(而不是处理器)来决定的，DSP一般不使用动态特性(如转移预测和推理执行等)，因此由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的，从而使程序员得以确定芯片的性能限制。(7)定点DSP指令集。定点DSP指令集是按两个目标来设计的:u使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作、从而提高每个指令周期的计算效率，u将存储DSP程序的存储器空间减到最小。由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的DSP应用中尤为重要。为了实现这些目标，DSP处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内说明若干个并行的操作：例如，在一条指令中包含了MAC操作，即同时有一个或两个数据移动。在典型的例子里，一条指令中就边含了计算FIR滤波器的一节所需要的所有操作。这种高效率付出的代价是，与GPP的指令集相比，其指令既不直观也不容易使用。 GPP的程序通常并不在意处理器的指令集是否容易使用，因为他们一般使用C、C+等高级语言。而对于DSP的程序员来说，麻烦的是主要的DSP应用程序都是用汇编语言写的(至少部分是汇编语言优化的)。这且有两个理由：首先，大多数广泛使用的高级语言，例如C语言，并不适合于描述典型的DSP算法。其次，DSP结构的复杂性，如多存储器空间、多总线、不规则的指令集和高度专门化的硬件等，使得难于为其编写高效率的编译器。即便用编译器将C语言源代码编译成为DSP的汇编代码，优化的任务仍然很重。典型的DSP应用都具有大量计算的要求并有严格的开销限制，使得程序的优化(特别是对程序的最关键部分)必不可少。因此，考虑选用DSP的一个关键因素是，它是否具备能够较好地适应DSP处理器指令集的程序员。 (8)开发工具的要求。 因为D