2.1 RFID技术的工作原理

2.1.1 电磁波传播物理学原理

什么叫电磁波？电磁波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向，如图2-1所示。

1.电磁波的波长、频率与传播速度的关系

电磁波的电场（或磁场）随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动（变化）的次数称为频率。很显然，波长与频率的乘积就是每秒钟传播的距离，即波速。令波长为λ，频率为f，速度为V，得到

波长λ的单位是米（m），速度的单位是米/秒（m/s），频率的单位为赫兹（Hz）。

由上述关系式不难看出，同一频率的无线电磁波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。

通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε约为2.1，因此，V_ε≈C/1.44，λ_ε≈λ/1.44。

整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波（3kHz~3000GHz）、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线和宇宙射线。

电磁波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。电磁波在真空中的传播速度等于光速。使用C=300000km／s表示，电磁波在空气中的传播速度略小于光速，通常认为它等于光速。

2.电磁波的极化

（1）极化

电磁波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电磁波的极化。无线电磁波的电场方向称为电磁波的极化方向。如果电磁波的电场方向垂直于地面，则称它为垂直极化波。如果电磁波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。

天线的极化如图2-2所示。

（2）圆极化波

如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，则称之为椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，则称之为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的称之为右旋圆极化波，反时针方向旋转的称之为左旋圆极化波。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失。

一般在无线电通信系统中，会尽量采用双极化天线来减少极化损失，两个天线为一个整体，传输两个独立的波，如图2-3所示。

3.电磁波的传播特性

电磁波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM（全球移动通信系统）和CDMA（码分多址）移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。

超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波做较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。

4.电磁波的多径传播

电磁波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射，因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。

由于多途径传播使得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电磁波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱。

不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。日常应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。电磁波的多径传播如图2-4所示。

电磁波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫作电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关。

5.RFID系统中的电磁波原理

读写器和电子标签通过各自的天线构建了两者之间的非接触信息传输信道，这种空间信息传输信道的性能完全由天线周围的场区特性决定，这是电磁传播的基本规律。射频信息被加载到天线上以后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场以外，还有一个非辐射场，该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大而迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因此该区域被称为电抗近场区，它的边界约为一个波长。超过电抗近场区，就是辐射场区。按照离开天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。根据观测点距离天线距离的不同，天线周围辐射的场呈现出来的性质也不相同。通常可以根据观测点距天线的距离将天线周围的场划分为3个区域，即无功近场区、辐射近场区和辐射远场区。

无功近场区也被称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中，电抗性储能场占支配地位。通常，该区域的界限取为距天线口径表面λ/π处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换。如果在其附近还有其他金属物体，这些物体就会以类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可以将这些金属物体看作组合天线（原天线与这些金属物组成的新的天线）的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场没有做功（只是进行相互转换），因而将该区域称为无功近场区。

超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁能已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入了空间。按照离开天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中，场区中辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。天线各单元对观察点辐射场的贡献，其相对相位和相对幅度是天线距离的函数。对于通常的天线，此区域也被称为菲涅尔区。由于大型天线的远场测试距离很难满足，因此研究该区域中场的角度分布对于大型天线的测试非常重要。

辐射远场区就是人们常说的远场区，又称为夫琅禾费区。在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。严格来讲，只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区。但在某个距离上，当辐射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差在允许的范围以内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。

天线的方向性图即指该辐射区域中辐射场的角度分布，因此远场区是天线辐射场区中最重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分界距离R为

式中，D为天线直径，λ为天线波长，D≥λ。

对于天线而言，当满足天线的最大尺寸L小于波长λ时，天线周围只存在无功近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约为λ/2π，超过了这个距离，辐射场就占主要地位。一般满足L/λ<1的天线称为小天线。

对射频识别系统和电子标签而言，一般情况下，受对电子标签尺寸以及读写器天线应用时的尺寸限制，绝大多数情况下，采用L/λ<<1或L/λ<1的天线结构模式。天线的无功近场区和远场区的距离可以根据波长进行估算。

表2-1给出了常用射频识别系统的不同工作频率的波长、无功近场区、辐射远场区的距离估算值。

表2-1的计算数据是基本的数值参考。对于给定的工作频率，无功近场区的外界基本上由波长决定，辐射远场区的内界应该满足大于无功近场区外界的约束。当天线尺寸（D或L）与波长可比或大于波长时，其辐射近场区的区域大致在R₁与R₂之间。

有关天线场区的划分，一方面表示了天线周围场的分布特点，即辐射场中的能量以电磁波的形式向外传播，无功近场中的能量以电场、磁场的形式相互转换不向外传播；另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线越近，场强越强。

2.1.2 数据传输原理

在射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通信距离划分为近场和远场。相应地，读写器和电子标签之间的数据交换方式也被划分为负载调制和反向散射调制。

1.负载调制

近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这种情况下，读写器和电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型，称为负载调制。负载调制实际是通过改变电子标签天线上负载电阻的接通和断开，来使读写器天线上的电压发生变化，实现用近距离电子标签对天线电压进行振幅调制的功能。如果通过数据来控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从电子标签传输到读写器中了。这种调制方式在125kHz和13.56MHz射频识别系统中得到了广泛应用。

2.反向散射调制

在典型的远场（如915MHz和2.45GHz的射频识别系统）中，读写器和电子标签之间的距离有几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和电子标签之间的能量传递方式为反向散射调制。

反向散射调制是指无源射频识别系统中电子标签将数据发送回读写器时所采用的通信方式。电子标签返回数据的方式是控制天线的阻抗。控制电子标签天线阻抗的方法有很多种，都是一种基于“阻抗开关”的方法。实际采用的几种电子标签阻抗开关有变容二极管、逻辑门和高速开关等，电子标签阻抗控制方式如图2-5所示。

要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个简单的混频器（逻辑门）与中频信号完成调制，将调制结果连接到一个“阻抗开关”，由阻抗开关改变天线的发射系数，从而对载波信号完成调制。这种数据调制方式与普通的数据通信方式相比有很大的区别，在整个数据通信链路中，仅仅存在一个发射机，却完成了双向的数据通信。电子标签根据要发送的数据通过控制天线开关，从而改变匹配程度。这样，从标签返回的数据就被调制到了返回的电磁波幅度上。这有些类似振幅键控（ASK）调制。

对于无源电子标签来说，还涉及波束供电技术，无源电子标签工作所需的能量直接从电磁波束中获取。与有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射功率，电磁波在电子标签上经过射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为电子标签工作时所需的工作电压。

3.反向散射调制的能量传输

电磁波从天线向周围空间发射会遇到不同的目标。达到目标的电磁能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回到发射天线。对射频识别系统来说，可以采用反向散射调制的系统，利用电磁波反射完成从电子标签到读写器的数据传输，主要应用在915MHz、2.45GHz或更高频率的系统中。

（1）读写器到电子标签的能量传输

在距离读写器R处的电子标签的功率密度为

式中，P_Tx为读写器的发射功率，G_Tx为发射天线的增益，R是电子标签和读写器之间的距离，EIRP是天线的等效全向辐射功率，即读写器发射功率和天线增益的乘积。

在电子标签与发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度S成正比，即

式中，G_Tag为电子标签的天线增益，。

无源射频识别系统的电子标签通过电磁场供电，电子标签的功耗越大，读写距离越近，性能越差。射频电子标签是否能够工作也主要由电子标签的工作电压决定，这也决定了无源射频识别系统的识别距离。

（2）电子标签到读写器的能量传输

电子标签返回的能量与它的雷达散射截面（RCS）σ成正比。它是目标反射电磁波能力的测量。散射截面取决于一系列的参数，例如目标的大小、形状、材料、表面结构、波长和极化方向等。电子标签返回的能量为

电子标签返回读写器的功率密度为

接收天线的有效面积为

式中，GRX为接收天线增益。

接收功率为

通过上式可以看出，如果以接收的电子标签的反射能量为标准，那么反向散射的射频识别系统的作用距离与读写器发送功率的4次方根成正比。

2.1.3 RFID天线技术

在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。

天线应有以下功能。

1）天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。

2）天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度的接受（即方向），具有方向性。

3）天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。

4）天线应有足够的工作频带。

以上4点是天线最基本的功能，据此可将若干参数作为设计和评价天线的依据。把天线和发射机或接收机连接起来的系统称为馈线系统。馈线的形式随频率的不同分为导线传输线、同轴线传输线、波导或微带线等。所谓馈线，实际上就是传输线。天线的电参数，就是能定量表征其能量转换和定向辐射能力的量，包括天线的方向性、天线效率、增益系数、极化方向、频带宽度、输入阻抗和有效长度。

2.1.4 RFID天线的应用和设计

现代社会产品越来越丰富，数据管理需求也越来越高，人们需要将多种多样处于生产、销售、流通过程中的物品进行标识、管理和定位。采用传统的条形码进行物品标识将会带来一系列的不便，如无法进行较远距离的识别，需要人工干预、许多物品无法标识等。相反，由于射频识别RFID系统采用具有穿透性的电磁波进行识别，所以可以进行较远距离的识别，无须人工干预，可以标识多种多样的物品。

射频识别技术是一种非接触的自动识别技术。它是由电子标签（Tag/Transponder）、读写器（Reader/Interrogator）及中间件（Middle-Ware）3部分组成的一种短距离无线通信系统。射频识别中的标签是射频识别标签芯片和标签天线的结合体。标签根据其工作模式不同而分为主动标签和被动标签。主动标签自身携带电池为其提供读写器通信所需的能量：被动标签则采用感应耦合或反向散射工作模式，即通过标签天线从读写器中发出的电磁场或者电磁波获得能量激活芯片，并调节射频识别标签芯片与标签天线的匹配程度，将储存在标签芯片中的信息反馈给读写器。因此，射频识别标签天线的阻抗必须与标签芯片的输入阻抗共轭匹配，以使得标签芯片能够最大限度地获得射频识别读写器所发出的电磁能量。此外，在对标签天线设计时还必须考虑电子标签所应用的场合，如应用在金属物体表面的标签天线与应用在普通物体表面的标签天线在天线的结构和选材上存有很大的差别。适合于多种芯片、低成本、多用途的标签天线是射频识别在我国得到广泛普及的关键技术之一。

1.电子标签天线分类

对于采用被动式标签的射频识别系统而言，根据工作频段的不同具有两种工作模式。一种是感应耦合（Inductive Coupling）工作模式，这种模式也称为近场工作模式，它主要适用于低频和高频RFID系统：另一种则是反向散射（Backscattering）工作模式，这种模式也称为远场工作模式，主要适用于超高频和微波RFID系统。

感应耦合模式主要是指读写器天线和标签天线都采用线圈形式。当读写器在阅读标签时，发出未经调制的信号，处于读写器天线近场的电子标签天线接收到该信号并激活标签芯片之后，由标签芯片根据内部存储的全球唯一的识别号（ID）控制标签天线中的电流大小。这个电流的大小进一步增强或减小阅读器天线发出的磁场。这时，读写器的近场分量展现出被调制的特性，读写器内部电路检测到这个由于标签而产生的调制量，并解调，从而得到标签信息。

在反向散射工作模式中，读写器和电子标签之间采用电磁波来进行信息的传输。当读写器对标签进行阅读识别时，首先发出未经调制的电磁波，此时位于远场的电子标签天线接收到电磁波信号并在天线上产生感应电压，电子标签内部电路将这个感应电压进行整流并放大，用于激活标签芯片。在标签芯片激活之后，用自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行变化，当电子标签芯片的阻抗和标签芯片之间的阻抗匹配较好时，基本不反射信号；而当阻抗匹配不好时，将几乎全部反射信号。这样反射信号就出现了振幅的变化，这种情况类似于对反射信号进行幅度调制处理。读写器通过接收到经过调制的反射信号判断该电子标签的标识号并进行识别。这类天线主要包括微带天线、平面偶极子天线和环形天线。

2.电子标签天线的设计与测试

如前所述，工作于低频与高频的射频识别系统采用感应耦合模式进行通信，所以工作于这两个频段的读写器与电子标签都采用线圈形式的天线。工作在这两个频段的射频识别系统都受制于近场作用的范围，从而导致其识别距离较短。根据目前的情况来看，采用近场通信的射频识别系统最大的识别距离小于1m。

由于低频和高频频段的射频识别系统采用的是电磁场耦合模式，所以系统中的天线都采用线圈形式。采用这种形式的主要原因如下。

1）电磁场的耦合在线圈之间比较紧密。

2）天线采用线圈的形式进一步减小了天线的体积，进而减小了标签的体积。

3）标签芯片的特性要求标签天线具有一定的电抗。

在超高频和微波波段时，电子标签和读写器之间的通信采用反向散射工作方式。这时候，连接电子标签和读写器之间的桥梁不再是近磁场而是电磁波。此时，被动型电子标签处于读写器的电磁波远场中。根据频带的波长和天线的口径可以计算出该频带内射频识别系统的远场和读写器之间的距离。一般来说，被动性标签在超高频范围内的工作距离可达10m左右，根据现有资料来看，工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被动标签工作距离仅为1m左右。所以，目前采用反向散射下作模式的射频识别系统主要使用860～960MHz的超高频频段。

在由被动型标签天线组成的射频识别系统中，标签需要从读写器产生的电磁场或者电磁波中获取能量激活标签芯片。所以，在电子标签中有一部分电路专门用于检测标签天线上的感生电动势或者感应电压，通过二极管电路进行整流，并经过其他电路进行电压放大等。这些电路被集成存在标签芯片内部。当芯片进行封装时，通常还会引入一部分分布式电容。但是，天线设计本身并不需要知道芯片中的具体电路，而只需要掌握芯片和经过封装之后的芯片阻抗，并利用最大能量传递的法则设计天线的输入阻抗即可。

电子标签芯片的输出阻抗具有电抗分量，为了达到能量的最大传递，需要将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。一般而言，电子标签芯片的输入阻抗为Z=R-jX形式。为了获得共轭形式的阻抗，电子标签天线的阻抗应为Z=R+jX形式。

如前所述，工作在低频与高频的射频识别系统中的被动标签天线采用了线圈形式，这种线圈形式即可引入感抗用于抵消等效电路中的容抗，从而实现标签芯片和天线之间的最大能量传递。

而对于工作于超高频和微波频段的标签天线而言，为了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天线设计中加入环形结构进行感性馈电等。另外，为了在规定的等效全向辐射功率（EIRP）下获得更远的阅读距离，除了要求电子标签天线也具有高增益之外，还要求在电子标签天线和标签芯片之间能够有足够的匹配。

在标签天线进行设计和仿真并获得理想结果之后，需要将天线加工并进行测试，以验证设计和仿真的正确性。也正如前文中所介绍的那样，标签天线具有复数阻抗的特性，其测试方法与具有实数阻抗天线的测试方法有所区别。另外，在同一个标签天线的测试过程中，根据所需数据的不同，其测试方法也有所不同，通常在测试天线的过程中，并不需要专门测试天线的输入阻抗。但标签天线的阻抗为负数阻抗，且其虚部与实部之比较大（通常X/R>>10），这样的阻抗曲线在史密斯（Smith）圆图中靠近短路圆不易通过Smith网图观察天线的阻抗带宽。为了获得标签天线的输入阻抗，可以将测试设备的输出端口直接与天线的输入端口相连。这种方式并未考虑标签天线本身具有复数阻抗这一特性。天线和测试设备之间并没有取得共轭匹配，此时只能得到天线的阻抗参数，诸如散射矩阵参数和驻波比等常用来衡量天线的电路参数，而不能直接获得。

为了获得是散射参数和驻波比等电路参数，以便对天线的阻抗带宽特性进行评价，可将实测的阻抗参数带入相关公式进行计算，或者采用阻抗匹配的方法在测试设备和天线之间加入匹配电路。匹配电路可由两种方法构成，一是采用工作频率较高的分立元器件构成，二是采用微波电路构成。需要注意的是，匹配电路应该距离天线端口足够近，这样才能获得较大的带宽，并避免天线与匹配电路之间连接线路带来的负面影响。

电路用于标签天线的测试。不过采用匹配电路具有一些缺点。

1）不论使用分立元器件还是使用微波电路来构成阻抗配电路，其带宽总是受限的，当天线真实带宽大于匹配电路的带宽时，所测试到的带宽将不再准确。

2）由于匹配电路总是存在损耗，所以测试得到的带宽和回波损耗值等参数和真实的天线参数有一些差别。

3）引入的匹配电路总是与天线之间存在距离，从而使得测试存在一定误差。

上述使用匹配电路进行测试的方案除了可以获得一定精度的带宽和同波损耗等参数之外，对于测试天线的方向图和增益等辐射特性也是必需的。只有通过阻抗匹配电路，才能将天线接收到的绝大部分能量基本无反射地传递到测试系统中，从而测试相应的辐射参数。

随着射频识别技术的应用不断扩大，越来越多的场合要求使用射频识别系统。电子标签天线作为射频识别系统中不可或缺的重要一环，其设计、生产、测试等均是未来研究的主要内容之一。鉴于电磁波的固有特性，在诸如临近金属和液体等环境中，射频识别系统的性能将大打折扣。在这样的环境中除了提高读写器的性能之外，电子标签天线性能的提高显得更为重要。另外，柔性电子标签贴附在非平坦表面时性能也会有所恶化。如何避免柔性标签应用到非平坦表面带来的影响也是目前的一个研究重点。