超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计
超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计
摘要：电子标签芯片是无线射频识别(RFID)技术的核心，其模拟电路的设计十分关键。基于ISO/IEC 18000-6C标准，以设计出符合标准的标签芯片为设计目标，超高频(UHF)无源电子标签芯片模拟电路被提出。它分为电源产生电路、调制解调电路以及上电复位模块等模块。设计结果表明，设计的电路具有很高的整流效率，满足了设计需求。
无线射频识别(RFID)是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。基本的RFID 系统由电子标签、阅读器及应用支撑软件等几部分组成。
电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。
电子标签通常由标签天线(或线圈)和标签芯片组成。电子标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技术的角度来说，射频识别技术的核心在电子标签，阅读器是根据电子标签的设计而设计的。
电子标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式和被动式两种。主动式标签主动向阅读器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源电子标签；被动式标签不带电池，又称为无源电子标签，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。无源电子标签在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。
一般来说，有源电子标签具有更远的通信距离，但其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。无源电子标签具有价格低的优势，尽管其工作距离和存储容量受到能量的限制，但有巨大的市场潜力，是目前业界研发的热点。
无源电子标签芯片主要包括3个部分：模拟电路、数字控制和电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)模块。其中，模拟电路模块又包括电源产生电路、调制解调电路等。
1 超高频无源电子标签芯片模拟电路的设计要求
超高频(UHF)无源电子标签芯片是基于ISO/IEC 18000-6C标准而设计的[1]，ISO/IEC 18000-6C标准是继ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B标准之后的新标准，它对前两种标准的协议特点进行了一系列有效的修正与扩充。其中物理层数据编码、调制方式、防碰撞算法等一些关键技术有了改进，使得ISO/IEC 18000-6C的性能比ISO/IEC 18000-6A、ISO/IEC 18000-6B有了很大的提高。
在标签设计时，标签芯片的模拟电路部分必须要与标准中规定的空中接口参数相一致，其主要参数规格如表1所示。
表1中的参数主要是按照ISO/IEC 18000-6C标准选择，其中标签射频输入功率的计算过程如下。
由电磁场理论可知标签天线处的电磁场能量密度：S =P /Ae =P
/[λ2/(4π)]=4πP /λ2=1/2·E 2/η，其中S是标签天线处的电磁场能量密度，P是标签天线接收到的能量，Ae是标签天线的等效接收面积，λ是阅读器发射电磁波的波长，E是标签天线处的电场强度，η是空气的波阻抗。
进而推导出标签天线处的电场强度为：。
当采用半波对称阵子当作标签天线时，每个阵子长度为λ/4，所以标签天线上的感应电压为：U =E·d =，其中d为单个阵子的长度。
由电荷泵电路可知，电荷泵输入端的电压必须大于等于0.8 V时才能开启整个电荷泵电路进行充电。因此U≥0.8 V，也即：≥0.8，把空气的波阻抗
η=120·π带入可求得P≥1.1 mW。也即射频输入功率至少为1.1 mW才能使标签正常工作。
2 模拟电路设计
无源电子标签芯片的模拟电路部分主要分为调制电路、解调电路和电源产生电路3个部分，除此之外还有上电复位电路等，如图1所示。
调制电路对基带数据进行射频调制，设计中主要采用逆向散射调制，即用数据比特流调制标签天线的输入阻抗来改变反射回阅读器信号的幅度，从而实现类似于幅度调制(AM)的逆向散射调制。解调电路完成对阅读器发射来的命令信息进行解调，电源产生电路必须能够为芯片中的电路提供稳定充足的电能，在设计中采用电荷泵作为电源产生电路。此电路相对较为复杂，是整个芯片模拟电路部分最为关键的部分。
2.1 调制电路
标签芯片是基于ISO/IEC 18000-6C标准设计的，因而标签芯片中的调制电路采用逆向散射调制来实现FM0/Miller+ASK调制，也就是用数据比特流调制标签天线的输入阻抗来改变反射回阅读器信号的幅度，从而实现类似于AM调制的逆向散射调制，如图2所示。
此标签芯片逆向散射调制电路采用消除了衬底调制效应的互补金属氧化物半导体(CMOS)开关电路来实现，用数字电路送过来的数据比特来控制CMOS开关的开与关，也即改变单沟道CMOS开关的输入阻抗，由于CMOS开关是并联在天线两端的，因而就改变了天线的输入阻抗，实现了逆向散射调制的功能。
2.2 解调电路
芯片的解调电路如图3所示，从天线接收过来的信号先经过频带选择滤波器滤波，然后用包络检波电路检波，再用施密特触发器对波形进行整形，最后使用1.28 MHz的本地时钟对整形后的数据进行采样并计数每个数据比特对应的1.28 MHz脉冲的个数。
(1) 带通滤波器
为了减少电容和电感数量，节省芯片面积，采用2级反转Chebyshev滤波器，仿真结果表明其中心频率为905 MHz，带宽是220 MHz，相对带宽是24％，满足了设计要求。
(2) 包络检波器
包络检波器由二极管和并联的RC电路组成，只有时间常数RC大于等于载波周期的100倍时，包络检波器的输出信号才能够正确地跟随输入端调制信号的包络变化[2]。鉴于芯片采用CMOS工艺，我们使用金属氧化物半导体(MOS)管实现包络检波器中的二极管、电容和电阻。
在ADS中仿真设计的包络检波器，结果表明：当输入的ASK调制信号的载波频率在860～960 MHz间变化，基带信号周期在6.25～25 ?滋s间变化时，检波器均能较好的解调出包络。但检波后得到的信号波形不是理想的矩形脉冲，出现了较大的变形，因此为了保证后续电路的正常工作，必须对变形的波形进行整形处理。
(3) 施密特触发器的设计
由上面的分析可知，包络检波后的信号出现变形，可能会导致后续的解码电路产生错误，因此需要对出现变形的信号进行整形处理。我们采用施密特触发器来消除脉冲变形。
(4) 本地时钟电路的设计
由于阅读器到标签的数据速率在26.7～128 kb/s之间变化，标签到阅读器的数据速率在40～640 kb/s之间变化，因此为了正确地调制和解调数据，必须有多种速率的时钟。经过计算得知：芯片中只要有一个1.28 MHz的时钟，经过一系列的分频就可以得到所需的全部时钟。由于时钟速率很低(1.28 MHz)，使用常用
的LC振荡器实现时钟电路，将要用到非常大的电感和电容，而在面积很小的芯片中实现大数值的电感和电容是不现实的，因而不能采用LC振荡器。
本次设计中我们采用环形振荡器来产生本地时钟[3-4]。此环形振荡器由奇数个CMOS反相器闭环连接构成，这样的环形振荡器具有集成度高和消耗能量少的优点。此外为了增加每级反相器的延迟时间，除最后一级反相器外的反相器输出端和地之间都接有电容。改变反相器的级数、电容数值以及MOS管的尺寸可以调整振荡器的振荡频率到所需的数值[5]。我们设计中采用5级反相器构成环形振荡器，为了提高集成度，我们使用漏极和源极连接到地的N沟道金属氧化物半导体(NMOS)管当作电容，调整MOS管的长度和宽度，最后在ADS中仿真时钟电路得到的仿真结果表明可以作为芯片中所需的1.28 MHz的时钟源。
2.3 电源产生电路
电源产生电路结构框图如图4所示。天线接收到的射频信号经过射频-直流(RF-DC)转换电路转化为不低于VL的直流电压，然后经电压限幅器限幅后得到稳定的直流电压VL(2.8 V)供给除E2PROM外的电路工作；VL和本地时钟信号经过直流-直流(DC- DC)转换电路和电压限幅器转化为直流电压VH(12 V)供E2PROM 使用。
(1) RF-DC转换电路
RF-DC转换电路基于电荷泵电路设计，其原理如图5所示，芯片设计时用栅源短接的增强型NMOS管代替图5中的二极管。设RF-DC转换电路所需二极管的最小个数为n1，则所需电容个数也为n1，由于每级电荷泵由2个电容和2个二极管构成，n1必须为偶数。
(2) DC-DC转换电路
DC-DC转换电路也是采用电荷泵原理来设计。由于电子标签解调电路已有本地时钟电路(通常采用CMOS环形振荡器产生幅度为VL /2的时钟信号)，因此用时钟信号代替射频信号对电荷泵充电，并从RF-DC转换电路已产生的直流电压VL开始充电可以显著减少DC-DC转换电路的电路级数。设此电路所需二极管最小个数为n2，则此电路所需二极管最小个数n2为[6]：
其中表示偶数上取整，即先执行上取整，如果上取整后不是偶数则数值加1。
(3) 电压限幅器
标签工作时，由于标签和阅读器距离的变化以及传播环境的不同，标签天线接收到的射频信号的幅度变化可以高达10倍以上，使电源产生电路输出的直流电压产生很大的波动。因此必须对RF-DC、DC-DC转换电路的输出电压进行限幅。我们采用稳压二极管限幅原理对RF-DC、DC-DC转换电路的输出电压进行上限幅，即把多个饱和MOS管串联起来充当二极管限幅器。调整MOS管的宽长比以及掺杂浓度来调整限幅值为所需数值。
3 结束语
本文基于ISO/IEC 18000-6C标准，给出了UHF无源电子标签芯片模拟电路的设计，设计结果表明电路具有很高的整流效率，满足了设计要求。下一步的研究将进行标签芯片的版图设计和流片，用实际测试结果来进一步验证设计的有效性。
参考文献
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金属表面超高频RFID标签天线设计要点
一种金属表面超高频RFID标签天线 设计 摘要：无线射频识别(RFID)系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来，RFID技术已经广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。在很多应用中，RFID 标签应用与金属表面，但是，具有类偶极子天线的普通无缘超高频RFID标签应用于金属表面时，其阻抗匹配，辐射效率，核辐射方向图都会发生改变，从而导致标签的性能变差，设置不能被有效读取。为解决超高频RFID 标签应用于金属表面的问题。本文先分析应用于金属表面性能恶化的原因，介绍现有对抗金属表面的天线研究，在针对实际应用提出超高频RFID 抗金属标签天线的设计。 关键词：射频识别，超高频，标签，天线，金属表面，抗金属 Abstract：Radio frequency identification(RFID）in the ultra-high-frequency(UHF)band has gained interest in supply chain management and traffic management because of its long read range.In many applications,RFID tags need to be attached on the surface of metallic objects.However,it is a challenge for label type passive UHF RFID tags with dipole-like antennas to be mounted on the surface of metal. This essay first analyzed the cause of the performance deterioration of the tag placed near the metallic objects,and the existing research against the metal surface of the antenna, in the practical application for the design of anti metal UHF RFID tag antenna is proposed. Keywords:Anti-me，tag, Antenna,Metallic,RFID,Tag,UHF. 1.RFID简要 1.1 RFID技术的系统组成 一个典型的RFID系统如图1.1所示。一般包括标签(tag) 、阅读器(reader)和应用系统(application system )三个部分。阅读器通过射频信号给标签提供能量并“询问”标签, 标签被激活后将其存储的标签信息发送给阅读器, 阅读器再将读取的标签信息发送给应用系统以结合具体的应用背景进行数据的控制、存储及管理 。 标签一般由标签天线与标签芯片组成。标签天线接收阅读器发射过来的射频信号并转化为能量, 获取的能量给标签芯片供电。当获取的能量足够时, 标签芯片被激活, 并根据阅读器的询问指令完成相应的动作, 将芯片上存储的标签信息通过反向散射调制的方法反射给阅读器。每个标签具有唯一的电子编码,用于对附着物体的
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五点你就知道 超高频RFID电子标签有哪些标准及应用
五点你就知道超高频RFID电子标签有哪些标准及应用 一、RFID的频率标准频率使用许可 射频系统的工作频率是射频识别技术系统最基本的技术参数之一。工作频率的选择在很大程度上决定了电子标签的应用范围、技术可行性以及系统成本的高低。 射频识别系统归根到底是一种无线电传播系统，它必须占据一定的空间通信信道。在空间通信信道中，射频信号智能以电磁耦合或电磁反射的形式表现出来，因此，射频识别系统的性能必然会受到电磁波空间传输特性的影响。 在人们日常生活中，电磁波无处不在，如飞机的导航、电台的广播、军事应用等。中国由国家无线电管理委员会（简称无委会）进行统一管理。因此，无线电产品的生产和使用都必须得到国家许可。 二、频率划分由于很多领域的应用需要系统工作于一定的频率范围内，因此需要对频率进行分段。近年来，对频谱的分段已经进行了几次，其中，最常用的是电气和电子工程师协会（IEEE）建立的，规定：射频识别系统属于无线电的应用范畴，因此，其使用不能干扰到其他系统的正常工作，ISM使用的频率范围通常是局部的无线电通信频段，因此，通常情况下，无线射频使用的频段是ISM频段。 射频识别系统最主要的工作频率是0-135k，ISM频率 6.78MHZ\13.56MHZ\2 7.125MHZ\40.68MHZ\433.92MHZ\869.0MHZ\915MHZ\2.45GHZ\5.8 GHZ以及24.125GHZ。 下面我们主要介绍一下频段869MHZ和915MHZ。 目前全球超高频射频识别系统的工作频率在860-960之间，这是因为射频识别系统将应用于全世界，然而在全球找不到一个射频识别系统可以适用的共同频率，世界各国对频率方面的具体规定也各不相同。因此，频率问题对射频识别系统来讲是一个重要的问题。频率问题主要包括工作频率的范围、发射功率的大小、调频技术、信道宽度等。 频段869MHz，允许短距离使用，如邮政、会议等。频段888-889和902-928被射频识别系统广泛应用。此外，次临近的频段被D-网络电话和无绳电话占用全球的频段由国际电
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什么是超高频、低频、高频RFID电子标签 低频RFID电子标签(从125KHz到135KHz) 其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用. 磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。 特性： 1．工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz, TI的工作频率为134.2KHz。该频段的波长大约为2500m. 2．除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。3．工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。 4．低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。 5．虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。 6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。 7．感应器的价格相对与其他频段来说要贵。 主要应用： 1．畜牧业的管理系统。 2．汽车防盗和无钥匙开门系统的应用。 3．马拉松赛跑系统的应用。 4．自动停车场收费和车辆管理系统。 5．自动加油系统的应用。 6．酒店门锁系统的应用。 7．门禁和安全管理系统。 符合的国际标准： a) ISO 11784 RFID畜牧业的应用－编码结构。 b) ISO 11785 RFID畜牧业的应用－技术理论。 c) ISO 14223-1 RFID畜牧业的应用－空气接口。 d) ISO 14223-2 RFID畜牧业的应用－协议定义。 e) ISO 18000-2 定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议。 f) DIN 30745 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准。 高频RFID电子标签(工作频率为13.56MHz) 在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。
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超高频无源RFID标签的一些关键电路的设计 本文针对超高频无源RFID 标签芯片的设计，给出了一些关键电路的设计考虑。文章从UHF RFID标签的基本组成结构入手，先介绍了四种电源恢复电路结构，以及在标准CMOS 工艺下制作肖特基二极管来组成倍压电路的解决方案。然后针对电源稳压电路，提出了串联型和并联型两种稳压电路。文章针对ASK 包络解调电路，提出了新的泄流源的设计。最后，文章介绍了启动信号产生电路的设计考虑。 1 引言 超高频无源RFID 标签(UHF Passive RFIDTag)是指工作频率在300M~3GHz 之间的超高频频段内，无外接电源供电的RFID 标签。这种超高频无源RFID 标签由于其工作频率高，可读写距离长，无需外部电源，制造成本低，目前成为了RFID 研究的重点方向之一，有可能成为在不 久的将来RFID 领域的主流产品。 对于UHF 频段RFID 标签的研究，国际上许多研究单位已经取得了一些出色的成果。例如，Atmel 公司在JSSC 上发表了最小RF 输入功率可低至16.7μW的UHF 无源RFID 标签[1]。这篇文章由于其超低的输入功率，已经成为RFID 标签设计的一篇经典文章，被多次引用。在2005 年，JSSC 发表了瑞士联邦技术研究院设计的一款最小输入功率仅为 2.7μW，读写距离可达12m 的2.45G RFID 标签芯片[2]。在超小、超薄的RFID 标签设计上，日本日立公司在2006年ISSCC 会议上提出了面积仅为0.15mm×0.15mm，芯片厚度仅为7.5μm 的RFID 标签芯片。国内在RFID 标签领域的研究，目前与国外顶尖的科研成果还有不小的差距，需要国内科研工作者加倍的努力。 图1 UHF 无源RFID 芯片的结构图 如图1 所示，一个完整超高频无源RFID 标签由天线和标签芯片两部分组成，其中，标签芯片一般包括以下几部分电路：
超高频 RFID 智能工具管理
1.RFID智能工具车 1.1产品简介 铨顺宏智能工具车是一种基于无线射频识别RFID技术，并利用现代计算机技术、无线传输技术实现自动识别和信息化管理于一体的智能化硬件解决方案。该方案在传统工具的基础上进行改进，保留工具车原有全部属性，集成ThingMagic 核心模组，性能优异，读取稳定可靠，应用于可移动式盘存读取，可实现工器具的快速领用、归还、清点，同时，工器具远程可监控，大大提高工具的使用安全性。 1.2技术特性： 1）内嵌ThingMagic-Micro高性能模组，具备读取速度快、灵敏度高，工具信息批量获取能力强等典型特征； 2）可全自动记录工具的取用情况，免人工登记操作，提高效率，减少出错率； 3）一键盘点，快速实现工具车内所有工具的盘存； 4）未归还工具预警，快速锁定未归还工具，提醒及时处理，避免工具丢失以及可能造成的安全隐患； 5）工具使用记录可查询，使用人员信息可追踪； 6）工具车自带大容量可充电电池，可持续工作时间长，满足全天候工作要求。
2.RFID智能工具箱 2.1产品简介 铨顺宏智能工具箱是一种基于无线射频识别RFID技术，并利用现代计算机技术、无线传输技术实现自动识别和信息化管理于一体的智能化解决方案。该方案在传统工具箱的基础上进行改进，保留工具箱原有全部属性，集成工控RFID读写设备，RFID识别性能优异，硬件性能具备工业级应用的稳定性，支持WIFI和蓝牙通讯，应用于户外巡检使用的工具管理，与外业人员的手机协同作业，可实现工器具的快速领用、归还、清点，同时，工器具远程可监控，大大提高外业人员作业的安全可控性。 2.2技术特性
1）内嵌ThingMagic-Micro高性能模组，具备读取速度快、灵敏度高，多标签读取能力强等典型特征； 2）支持WIFI、蓝牙数据透传，与安卓手机协同可实时将工作现场数据发送给后台管理系统，实现现场和远程管理； 3）一键盘点，实现工具箱内所有工具的盘存； 4）未归还工具预警，快速锁定未归还工具，提醒及时处理，避免工具丢失以及可能造成的安全隐患； 5）支持工具箱多层设计，存储容量大，可管理工具多，利用率高； 6）自带大容量可充电电池，采用触发或定时盘存机制，超低功耗，可持续工作时间长，满足全天候工作要求。 3.1电力巡检 RFID电力设备手持设备终端巡检系统针对巡检工作实际需要及特点，具有路线安排、数据记录、工作状态监督、数据汇总报告等功能，并可与电力设备企业现有信息系统无缝连接，有效的了解、检查巡检工作状态、及时的发现电力设备的缺陷情况，提升电力设备、电力设备设备运行安全性、降低生产运营成本、提高工作效率，具有低成本，轻便易操作，设备使用时间长等显著优点。 3.2航空航运 通过RFID航空行李分拣系统的构建，也可以覆盖物流环节中收发货物品的确认、快速收货、快速发货、卸货装盘统计、准确快速搬运装卸的各个环节，最终建立一个快速、统一、无缝的可视化RFID智能管理系统，实现RFID物流管理中的准确、高效率和实时管理功能。ThingMagic超高频RFID设备凭借快速读取---750标签/秒的高速读取能力，和行业皆知的防碰撞算法的无漏读能力，且支持行业的全协议，在机场行李分拣、邮包分拣、药品分拣、大型仓储商品分拣等其他货物自动分拣系统和物流业的其他环节中发挥着巨大的作用。
电子标签构成
UHF电子标签组成 一个完整超高频无源RFID标签由天线和标签芯片两部分组成，其中，标签芯片一般包括以下几部分电路： - 电源恢复电路 - 电源稳压电路 - 反向散射调制电路 - 解调电路 - 时钟恢复/产生电路 - 启动信号产生电路 - 参考源产生电路 - 控制单元 - 存储器 <1>电源恢复电路 电源恢复电路将RFID标签天线所接收到的超高频信号通过整流、升压等方式转换为直流电压，为芯片工作提供能量。 电源恢复电路具有多种可行的电路结构。在这些电源恢复电路中，并不存在最理想的电路结构，每种电路都有各自的优点及缺陷。在不同的负载情况、不同的输入电压情况、不同的输出电压要求以及可用的工艺条件下，需要选择不同的电路以使其达到最优的性能。 <2> 电源稳压电路
在输入信号幅度较高时，电源稳压电路必须能保证输出的直流电源电压不超过芯片所能承受的最高电压；同时，在输入信号较小时，稳压电路所消耗的功率要尽量的小，以减小芯片的总功耗。 从稳压原理上看，稳压电路结构可以分为并联式稳压电路和串联式稳压电路两种。 在RFID标签芯片中，需要有一个较大电容值的储能电容存储足够的电荷以供标签在接收调制信号时，仍可在输入能量较小的时刻（例如OOK调制中无载波发出的时刻），维持芯片的电源电压。如果输入能量过高，电源电压升高到一定程度，稳压电路中电压感应器将控制泄流源将储能电容上的多余电荷释放掉，以此达到稳压的目的。 <3>解调电路 出于减小芯片面积和功耗的考虑，目前大部分无源RFID标签均采用了ASK调制。对于标签芯片的ASK解调电路，常用的解调方式是包络检波的方式。 包络检波部分与电源恢复部分的倍压电路基本相同，但是不必提供大的负载电流。在包络检波电路的末级并联一个泄电流源。当输入信号被调制时，输入能量减小，泄流源将包络输出电压降低，从而使得后面的比较器电路判断出调制信号。由于输入射频信号的能量变化范围较大，泄流源的电流大小必须能够动态的进行调整，以适应近场、远场不同场强的变化。例如，如果泄流电源的电流较小，在场强较弱时，可以满足比较器的需要，但是当标签处于场强很强的近场时，泄放的电流将不足以使得检波后的信号产生较大的幅度变化，后级比较
无源UHF RFID电子标签系统设计分析
无源UHF RFID电子标签系统设计分析 【摘要】UHF RFID是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号来自动的识别目标，并且获得目标中的相关信息。它能够自动的收集产品以及时间和地点的信息，而且还能够快速的把信息传递出去，可以有效的减少人为的错误或者干扰，在电力行业中得到了比较广泛的应用。 【关键词】UHF RFID；电子标签系统；设计 RFID即Radio Frequency Identifica-tion，是无线射频识别技术的简称，也就是人们经常所说的电子标签，是上个世纪出现的一种新的识别技术。RFID的工作频段按照频率的大小可以分为低频——LF、高频——HF、超高频——UHF和微波——MW，UHF RFID的频率位于860～960MHz的范围内，是无源超高射频识别技术，其具有高速度、远距离、比较强的抗干扰能力、低成本的优势以及标签小等优点，成为了RFID技术中的研究热点，得到了比较广泛的应用[1]。 一、UHF RFID电子标签系统简介 UHF RFID系统主要由电子标签、数据管理系统、阅读器三部分组成，其中电子标签是RFID系统中数据的载体，存储了被识别物体的信息，它主要通过标签的形式附着在需要被识别的物探上[2]。阅读器是用来进行信息的读/写或者读设备，主要用来阅读电子标签中的信息，并且将识别的信息传递给数据管理系统，其性能与其设计的结构和技术有很大的关系；其中读写阅读器还能够通过电子标签根据需要写入数据。一般的阅读器主要由高频模块即频率的发送器和接收器，和应答单元相连接的耦合元件即线圈和微波天线以及控制单元组成，还有部分阅读器还安装有附加的接口，如常用的USB接口等可以和电子计算机等其它设备相连接，可以将读取的数据传递给数据管理系统，然后进行后期的分类、统计、存储等处理工作。RFID结构如图1所示。 UHF RFID的工作原理是通过射频识别系统来进行工作，电子标签通常也被称为应答器、射频标签、数据载体，阅读器也被称为读取设备，通讯器、扫描器或者读写器。电子标签和之间通过耦合元件来完成射频信号的无线耦合，在耦合的过程中按照时间的顺序来完成数据的交换和能量的传递。在电子标签和阅读器之间的射频信号的耦合方式主要由以下两种，其中一种是电磁反向散射耦合，这种耦合方式和雷达的工作原理相似，通过发射设备发射电磁波，电磁波在遇到目标后向接收设备产生反射，反射信号中也同时带有目标的信息，这种方式主要利用了电磁波在空间中传播的原理；第二种方式是电感耦合，这种方式和变压器的工作原理类似，通过高频的交变电磁场来实现空间上的耦合，主要应用了法拉第的电磁感应定律。电磁反向散射耦合方式主要用在微波、高频率远距离的视频识别设备中，其主要的工作频率范围有433、915MHz以及2.45、5.8GHz，UHF RFID 主要应用的就是这种耦合方式，其识别的距离大于1m，一般的作用距离为3～10m左右。电感耦合方式主要用在影响中、低频的近距离的射频识别系统中，其工作的频率有13.6、125、225MHz，其识别距离小于1m，其作用距离一般为10～
对超高频RFID标签之漏读率的研究
对超高频 RFID 标签之漏读率的研究 东莞太平洋计算机科技有限公司RFID 研发中心钟汉 摘要：介绍超高频 RFID 无源标签读取技术，分析标签漏读问题的产生的原因，并提 供了一些解决方法。 关键词：超高频 RFID 电子标签18000-6B 18000-6C 一、前言 RFID(Radio Frequency Identification)射频识别，俗称电子标签识别。 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过无线射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，工作时阅读器和电子标签之间无需接触，可工作于各种恶劣环境。并且 RFID 射频识别技术可识别高速运动物体并可以同时识别多个标签，操作快捷方便。另外，由于 RFID 系统可以从技术上防止 被仿冒、侵入，还具备了极高的安全防护能力。目前超高频 RFID 的标准主要有 18000-6B 和18000-6C。工作频率一般在 902MHz--928 MHz ，一些国家规定的标 准是 860MHz--960 MHz 。 对于超高频无源 RFID 标签，每个标签都有自身的唯一号码，最常见的用途是代替普通条型码，贴于各种物品上，以便对物品进行身份识别。一般和超高频阅读器配合使用。RFID 标签能将信息无线传递给 10 米范围内的超高频阅读器上，使仓库、车间、超市等场合可以对物品进行群体扫描，不再需要使用激光条形码阅读器对物品逐个扫描条码。 RFID 技术及系统的应用领域十分广阔，涉及到工业、商业、交通、仓储、物流及军事 等领域的方方面面。例如，全球最大的商品销售商沃尔玛公司要求其 前100 位供应商都要在货箱和托盘上使用 RFID 标签，目前正在实施中；目前，在我国的一些地区已经开始应用 RFID 技术，比如，在全国铁路调度和统计系统中，已有 55 万辆车厢、机车安装了无源 RFID 标签；上海市质量技术监督局也已应用 RFID 对全市 16 万只液化石油气瓶、 1 万只剧毒化学品容器、 10 万箱烟花爆竹和 4 万辆出租车车载计价器进行电子跟踪；另外，今年上海至深圳的内贸集装箱将使用 RFID 实现货物跟踪。随着我国经济的飞速发展，不久的将来，RFID技术必将在商品流通、运输、管理以及物流、交通等方面形成一个庞大的市场， RFID 技术将是未来一个新的经济增长点。 随着 RFID 标签的应用越来越广泛，与其配合使用的阅读器的性能也越来越重要。而 电子标签的读全率，或它的反概念：漏读率，是阅读器性能中最重要的 一环。漏读是指标签通过读写区域后不能够被正确读出。漏读甚至成了制约 RFID 应用的一个重要因素。标签一旦漏读，轻则导致数据混乱，增加时间和人力的消耗，重则导致财产损失甚至灾难发生。故，尽力减少 RFID 标签的漏读率极为重要，下面是我们多年来对 RFID 标签漏读率的研究结果。
图书馆RFID超高频、高频标签应用对比
图书馆RFID超高频、高频标签应用对比 一、高频超高频（UHF）与高频(HF)对比 1、实施成本低 超高频RFID系统整体设备成本低，性价比高。小到一支电子标签-----电子标签内含有接收、发射信号的天线，而天线的物理尺寸和电磁波的波长成正比，频率越高，波长越短，天线的物理尺寸就越小，工艺越复杂；所以高频的电子标签不得不生产那么大，这是由它的物理特性决定的，因而成本就更高）；大到移动图书馆，目前超高频移动图书馆成本一般35万左右，而高频移动图书馆约45万左右。 2、电子标签体积小、隐蔽性好，使用寿命长。 前面提到超高频电子标签体积小，高频标签体积大，这是由其技术的物理特性决定的。超高频的电子标签由于体积小，所以成本低、隐蔽性好，相应的使用寿命更长，而且目前国内已有超高频电子标签的生产线，年生产能力1.5亿只，能很好的保证供货。高频标签体积大，只能贴在书的扉页或底页，读书时容易被弯曲，或被撕毁、损坏，使用寿命一般2-3年，而且目前国内没有高频标签生产线，供货量不一定能保证。 3、超高频的标签能够快速读取 高频 Reader读取速度慢，同时读取10支不同的HF RFID电子标签，已经比较困难了。超高频 Reader每秒可同时读取多达60支电子标签，反应迅速，对于图书馆来说，工作效率会大大提高，特别是盘点和图书查找工作以及图书借还，更是可领略高科技给我们工作和生活带来的乐趣。 4、超高频标签读写距离远近可调 HF RFID 电子标签读取近，其极限距离为1.0m，而UHF RFID电子标签的读取距离可近可远，不但可以应用于近距离的图书单品识别，而且也适合于远距离的箱包级自动识别，识别距离灵活可调；可轻松的从几米外读取，有源UHF RFID电子标签甚至可达到200M。也就是意味着HF RFID电子标签只能在 1.0m的空间内发挥作用，新功能的拓展能力微弱。UHF RFID电子标签在完成基本功能的基础上，可在广阔的应用空间中层出不穷的推出不胜枚举的奇妙功能，例如：图书定位、取阅统计、盲人导航等，为图书馆提供更为丰富的扩展功能。 5、超高频门禁距离远近可调，可全方位识别 高频门禁之间的距离受限，而且由于读取速度慢，容易产生漏读现象；且在进行防盗识别时具有明显的方向性，盲区较大，不能实现全方位识别。超高频门禁距离可调，最远距离可达2m，电子标签在门禁读取范围内可以任意角度识别。防盗效果是高频的两倍。 6、移动图书馆问题 高频移动图书馆内图书不能全部可视，且功率大（1000W以上），而且读者还书时不能自动上架，服务不仅繁琐，而且成本高。超高频的移动图书馆内图书全部可视，工作功率一般在700-800W,读者还书可以自动上架。 7、超高频技术 超高频技术平台高，可持续为图书馆提供新产品、新服务。超高频采用全球物联网标准ISO 18000-6C，今后图书馆免费使用电子标签成为可能。 二、问题解说 1、标准问题 国内外在图书馆应用领域一直没有统一标准，包括高频也没有统一标准,目前国内外使用的标准主要有国际标准ISO 18000-6和ISO15693。 2、技术成熟性 超高频的技术在图书馆的应用早已经成熟，在浙江图书馆、广西图书馆、山东省图书馆、成
超高频RFID核心技术专利介绍
电子知识 超高频RFID技术具有能一次性读取多个标签、穿透性强、可多次读写、数据的记忆容量大，无源电子标签成本低，体积小，使用方便，可靠性和寿命高等特点，得到了世界各国的重视。 超高频RFID的核心技术主要包括：防碰撞算法、低功耗芯片设计、UHF电子标签天线设计、测试认证等方面。国内在超高频自动识别技术研发上滞后国际2-3年，虽形成一批专利技术，但数量较少。以下简要介绍这些技术在中国申请，并已经公开或授权的相关专利。 1、防碰撞算法(Anti-Collision Algorithm) 1)深圳市当代通信技术有限公司2007年2月申请的中国发明专利(CN101013465)涉及一种超高频远距离自动识别系统中的多标签防碰撞算法，该算法是根据标签返回数据碰撞的情况，动态调整Q值，其包括如下步骤：a、预设Q值为0～15;b、读写器发QUERY(查询)命令并接收标签返回;c、读写器发送2的Q次方个QUERY REP(查询应答)命令;d、经过步骤a、b、c后，碰撞计数为0，则标签读取过程结束;如果碰撞次数不为0，则根据碰撞次数确定下一次QUERY命令的Q值，重复步骤a、b、c。动态Q值通过如下方法确定：a、估算标签的数量值;b、根据标签数量的估算值和计算概率的幂和幂指数运算，求其以2为底的指数，即为新的Q值。该发明可实现超高频远距离自动识别系统中的多标签的无遗漏完全读取，并且具有较高的读取效率。 2)复旦大学2007年12月申请的中国发明专利(CN101183422)，公开了一种结合Bit-Slot和ID-Slot的随机型防碰撞算法。首先，标签随机选择一个slot反馈1位确认指令，
分析超高频电子标签的关键技术特点及频段划分
分析超高频电子标签的关键技术特点及频段划分 射频识别（Radio Frequency Identification)，简称RFID，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，可工作于各种恶劣环境。利用超高频RFID（UHFRFID）技术可以识别高速运动物体，并可同时识别多个标签。UHFRFID识别具有无方向性，可批量识别、寿命长、不可改写、耐污染等特点，并且可利用RFID的存储区写入重要信息。 一、RFID的频率标准 频率使用许可 射频系统的工作频率是射频识别技术系统最基本的技术参数之一。工作频率的选择在很大程度上决定了电子标签的应用范围、技术可行性以及系统成本的高低。 射频识别系统归根到底是一种无线电传播系统，它必须占据一定的空间通信信道。在空间通信信道中，射频信号智能以电磁耦合或电磁反射的形式表现出来，因此，射频识别系统的性能必然会受到电磁波空间传输特性的影响。 在人们日常生活中，电磁波无处不在，如飞机的导航、电台的广播、军事应用等。中国由国家无线电管理委员会（简称无委会）进行统一管理。因此，无线电产品的生产和使用都必须得到国家许可。 二、频率划分 由于很多领域的应用需要系统工作于一定的频率范围内，因此需要对频率进行分段。近年来，对频谱的分段已经进行了几次，其中，最常用的是电气和电子工程师协会（IEEE）建立的，规定：射频识别系统属于无线电的应用范畴，因此，其使用不能干扰到其他系统的正常工作，ISM使用的频率范围通常是局部的无线电通信频段，因此，通常情况下，无线射频使用的频段是ISM频段。
射频识别系统最主要的工作频率是0-135k，ISM频率 6.78MHZ\13.56MHZ\2 7.125MHZ\40.68MHZ\433.92MHZ\869.0MHZ\915MHZ\2.4 5GHZ\5.8GHZ以及24.125GHZ。 下面我们主要介绍一下频段869MHZ和915MHZ。 目前全球超高频射频识别系统的工作频率在860-960之间，这是因为射频识别系统将应用于全世界，然而在全球找不到一个射频识别系统可以适用的共同频率，世界各国对频率方面的具体规定也各不相同。因此，频率问题对射频识别系统来讲是一个重要的问题。频率问题主要包括工作频率的范围、发射功率的大小、调频技术、信道宽度等。 频段869MHz，允许短距离使用，如邮政、会议等。频段888-889和902-928被射频识别系统广泛应用。此外，次临近的频段被D-网络电话和无绳电话占用 全球的频段由国际电信联盟（ITU）进行统一的规划和分配，ITU把全球划分为3个大区，他们分别为区域1（欧洲和非洲地区）、区域2（美洲地区）、区域3（大洋洲和亚洲地区）。 超高频RFID电子标签的特性如下： 1.超高频电子标签通过电场传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义，该频段读取距离比较远，无源可达10m左右，主要通过电容耦合的方式进行能量交换和数据传输。 2.超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水、灰尘、雾等悬浮颗粒物。 3.电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，以满足相应的应用需求。 4.该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。 5.有很高的传输速率，在很短的时间内，可以读取大量的电子标签。
超高频与低频、高频RFID电子标签的区别以及优缺点
超高频与低频、高频RFID电子标签的区别以及优缺点 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 一．超高频RFID电子标签(UHF)： 超高频的射频标签简称为微波射频标签，UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理工作频率：超高频（902MHz～928MHz） 符合标准：EPC C1G2（ISO 18000-6C） 可用数据区：240位EPC码 标签识别符：（TID）64位 工作模式：可读写 天线极化：线极化 1.超高频标签的阅读距离大，可达10米以上。 2.超高频作用范围广,现最先进的物联网技术都是采用超高频电子标签技术。 3.传送数据速度快，每秒可达单标签读取速率170张/秒（EPC C1G2标签） 4.标签存贮数据量大。 5.超高频电子标签灵活性强，轻易就可以识别得到。 6.有很高的数据传输速率，在很短的时间内可以读取大量的电子标签。 7.防冲突机制，适合于多标签读取，单次可批量读取多个电子标签。
8.电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。 9.数据保存时间＞10年。 10.手持读写器可对超高频电子标签进行读写操作。 11.手持读写器可对超高频电子标签进行批量操作。 12.手持读写器带CE操作系统，读取超高频电子标签数据时，可通过WIFI、GPRS 实时上传至后台数据库。 13.手持读写器相当一台PDA电脑，通过读取超高频电子标签数据，可在手持读写器完成读及写动作，且可在手持读写器即时查询标签数据。（如厂家信息、生产批号、生产日期等等） 14.超高频电子标签具有全球唯一的ID号，安全保密性强，不易被破解。 15.智能控制；高可靠性；高保密性；易操作；方便查询；读写性能更加完善。 二．低频(LF)和高频(HF)： 低频(LF)和高频(HF)频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理 高频典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，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，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。 工作频率: 低频(125KHz)、高频(13.54MHz） 1.低频标签的阅读距离只能在5厘米以内。 2.低频作用范围现在主要是运用于低端技术领域范围内，如自动停车场收费和车辆管理系统等等。