射頻物理與射頻識別：簡要概述

RFID系統(tǒng)，和所有涉及能量的系統(tǒng)一樣，受物理定律支配。物理學(xué)是研究物質(zhì)及其在空間和時間中的運動，以及相關(guān)概念如能量和力的學(xué)科。更深入地說，RFID系統(tǒng)還受制于基本的電磁原理。這些原理涉及能量傳遞和電磁譜，定義在法拉第電磁感應(yīng)定律和倫茨定律中。此外，政府和軍事部門在全球各地對電磁頻譜（傳輸頻率和功率）的使用進行監(jiān)管，這導(dǎo)致了RFID系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。

RFID系統(tǒng)的每個方面都按照上述法律和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，以成功利用電磁場和調(diào)制能量交換信息。工藝的每個環(huán)節(jié)——讀卡器到電纜、電纜到天線，以及天線到標(biāo)簽（以及返回）——確保了各段之間的有效能量傳遞。

典型UHF RFID系統(tǒng)能量流動過程的每一步都簡單定義如下。

能量流：讀卡器到電纜

能量以交流電（交流電）的形式從電源插座流出，這意味著電子在移動過程中會周期性反轉(zhuǎn)方向，使能量相對于直流電（直流電）傳輸距離更遠(yuǎn)。RFID讀卡器隨讀卡器附帶的典型電源是交流轉(zhuǎn)直流電源，將交流電從插座切換為直流電（更適合讀卡電子設(shè)備）。

接著，直流電通過振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）模塊，該模塊將電源的直流電轉(zhuǎn)換為可變頻率的交流電?？勺冾l率由RFID讀卡器內(nèi)部的跳頻算法確定，該算法基于制造階段設(shè)定的頻率范圍。

例如，在美國，由于法規(guī)規(guī)定單個讀卡器在特定頻率上傳輸時間不得超過400毫秒或0.4秒，以防止特定頻率被擁擠，每個讀卡器都必須采用跳頻算法。使用設(shè)定為美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）頻率范圍的射頻讀卡器時，讀卡器會每0.4秒“跳”一次，頻率為預(yù)定頻率，如902.5 MHz（0.4秒）、903.5 MHz（0.4秒）、927 MHz（0.4秒）等。如果讀卡器在同一頻率上停留超過0.4秒，鄰近無線電之間可能會產(chǎn)生干擾。

在變量頻率值設(shè)定后，所得信號會被射頻放大器放大，并根據(jù)讀取器試圖發(fā)送到RFID標(biāo)簽的信息進行調(diào)制。射頻放大器確定RFID讀取器將發(fā)送信號的功率（即發(fā)射功率），并將射頻信號放大至所需的功率水平。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)定，讀卡器發(fā)送的功率信號不得超過1瓦（30 dBm）。然而，由于天線的功率包含了電纜損耗導(dǎo)致的衰減，一些RFID讀卡器能夠傳輸超過30 dBm的功率水平（例如31.5 dBm）。電纜的衰減會抵消額外的發(fā)射功率，使讀卡器不會違反FCC標(biāo)準(zhǔn)15.247。使用> 30 dBm的讀卡發(fā)射功率時，操作員需確保所用電纜提供所需的衰減，使天線輸入功率不超過1瓦。（有關(guān)其他國家UHF RFID法規(guī)的更多細(xì)節(jié)，請參見GS1文件。）

放大后的信號隨后通過射頻帶通濾波器，去除允許傳輸帶寬之外的額外頻率。信號通過帶通濾波器后，再輸出到天線端口，隨后通過定向耦合器傳輸?shù)酵S電纜。

能量流：電纜到天線

信號隨后通過同軸電纜傳導(dǎo)到RFID天線。值得注意的是，由于信號沿電纜傳播時衰減，功率會因此損失。損失的電力大小取決于電纜的長度及其絕緣等級。低損耗電纜通常較粗且長度較短。

當(dāng)同軸電纜正確連接到天線端口時，電纜連接器的中心針腳連接到天線的輻射元件。信號（或交流電流）從中心引腳流向輻射元件，然后通過介質(zhì)到達接地元件（見下圖）。輻射元件結(jié)合地平面，根據(jù)天線的增益參數(shù)聚焦能量，以建立電磁場。

當(dāng)電磁場形成時，輻射元件釋放電磁波，這些波從天線傳播出去。輻射能量的形狀和形式稱為天線的輻射模式。

天線的波束寬度可以根據(jù)天線的輻射圖樣計算出來。波束寬度是輻射圖樣主瓣半功率點之間的夾角。輻射模式、波束寬度和增益都受接地板尺寸以及輻射板尺寸的影響。

能量流：天線到標(biāo)簽（及返回）

傳播的波會根據(jù)天線的具體增益和波束寬度參數(shù)，在空間中垂直和水平方向傳播到一定距離。

現(xiàn)場的RFID標(biāo)簽通過自身的天線接收能量或射頻波。接收到的能量通過RFID標(biāo)簽的天線傳輸，其中一部分用于激活芯片（即集成電路，IC），并根據(jù)RFID讀取器接收到的指令準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)。

當(dāng)芯片開啟時，它會根據(jù)標(biāo)簽中存儲的信息（與讀者請求相關(guān)）調(diào)制能量，并將剩余能量“反射”回來。這些信息可以是EPC內(nèi)存、用戶內(nèi)存，或標(biāo)簽上編程的任何內(nèi)容。這種能量反射回天線的過程稱為背散射輻射。

反向散射輻射穿過空氣，進入RFID天線的磁場，再通過同軸電纜返回RFID讀卡器的天線端口。定向耦合器接收接收信號，并通過帶通濾波器、混頻器和基帶放大器傳遞至解碼電路，恢復(fù)標(biāo)簽信息。

結(jié)論

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