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RFID射频识别技术的物理学原理

发布时间2021-11-27

射频识别技术涉及的学科很多,谈到射频识别用到的核心技术,就不能不提到天线场、能量耦合和数据传输。因为是依靠磁场和辐射场进行传输,所以该技术主要是基于物理学原理而出现的。下面小编盼盼就从物理学角度来解释RFID射频识别技术。

天线场

众所周知,应用射频识别技术的物件是通过射频标签(电子标签)和读写器相连的,而它们之间的连接介质就是天线。也就是说,天线构建了两者的空间信息传输通道。只不过,这个天线是一个“场”,并不是传统意义上肉眼可见的天线。射频信号通过标签加载到天线上之后,就会在紧邻天线的周围形成一个辐射场和一个非辐射场。随着信号离开天线的距离增大,辐射逐渐减小,在这个区域,电抗的力量占据优势,我们把这个小范围叫做电抗近场区。经过大约一个波长的距离,就到了辐射场区,辐射场区按照离开天线距离的远近又分为辐射近场区和辐射远场区。所以,根据射频信号距离天线远近的不同,信号所经过的场所呈现出来的属性也不一样,按距离划分,天线场主要有三个。

(1)电抗近场区。它紧邻天线口径,距离天线口径表面处(λ为天线波长)。从物理学的角度来说,电抗近场区是一个储存能量的区域,里面磁场和电场的转换类似于变压器的内部转换原理,另外,该区域周围的金属物体也能以电容和电感耦合的方式影响该区域。该区域中的磁场和电场由于只是完成了转换,并没有做功,所以又叫无功近场区。下面是无功近场区口径表面的直观图。

无功近场区口径表面直观图
无功近场区口径表面直观图

(2)辐射近场区。信号通过电抗近场区之后就到了辐射场区,该区域的电磁场几乎脱离了天线的影响,并成为电磁波进入了另一空间,相对于辐射远场区而言,辐射近场区离天线较近,辐射的强度大。

(3)辐射远场区。又称为“夫郎荷费区”,在该区域内,辐射场的角分布已经与信号离天线的距离没有关系了。根据官方的定义,辐射近场区和远场区的分界距离R的计算公式为:R=2D^2/λ,其中,D为天线直径。

对于天线而言,当天线的最大尺寸小于波长的时候,天线周围只存在无功近场区和辐射远场区没有辐射近场区。对于信息传输而言,辐射远场区的意义要远大于辐射近场区。

能量耦合

讨论这个物理学原理之前,我们先要知道“耦合”的含义。对此,官方定义为:“两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响,并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。概括地说,耦合就是指两个或两个以上的实体相互依赖于对方的一个量度。”

显而易见,在射频识别系统中,射频标签和读写器之间就是一个耦合,它们相互依赖,而且要通过一定的距离传输能量。按照射频识别系统传输距离的远近,射频标签的天线和读写器天线之间的耦合可以分为密耦合系统、遥耦合系统、远距离耦合系统三类。

(1)密耦合系统。该系统的作用距离最小,正常的作用距离只有0~1cm,这种系统在实际应用过程中,一般需要将带有射频标签的物体放入或插入读写器中,亦或是将射频标签放置到读写器天线表面的覆盖范围内。密耦合系统是利用射频标签和读写器之间的电抗近场区之中的电磁转化构成的无接触空间数据传输通道进行数据交换的,其工作频率一般在30MHz以下。

密耦合系统的特点是在传输过程中不必发射任何电磁波,承载数据的容器和读写器之间的耦合就能够产生一定的能量,而且电磁泄漏和丢失很少,甚至可以供消耗电流的微处理器进行工作。所以,密耦合系统的安全型较高,但适用于超近距离的作业,如电子门锁系统和非接触IC卡系统。

(2)遥耦合系统。遥耦合系统的作用距离能够达到1m,为了支撑这段距离,所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感耦合,因此该系统也称成为“电感无线电装置”。遥耦合系统的传输频率较低,一般在6MHz~30MHz之间,而频率在一定程度上又代表了数据的传输带宽,所以遥耦合系统的传输能力要低于密耦合系统,它通过电感无线电装置进行传输的能力也是很小的。

为了作业的需要,遥耦合系统又被分为近耦合系统和疏耦合系统。近耦合系统的作用距离为15CM,和密耦合系统一样,利用的也是无功近场区之间的闭合磁络,只不过作用距离更长一些。疏耦合区域则是牺牲能量换取距离,原理不再赘述。

(3)远距离系统。该系统的作业距离最小值就是遥耦合系统的最大值1m,而其作业距离的最大值则为10m,高质量的系统甚至能达到更远的作业距离。远距离系统完全不受无功近场区的影响,而是利用天线辐射远场区完成射频标签和读写器的电磁耦合,并构成无接触空间信息传输通道进行工作。

为了使远距离的信息传输保持稳定性,就需要为射频标签灌注足够的能量,这时侯,光靠传输过程中所经过的天线场的能量远远不够,所以,远距离系统具有一个辅助性供电电池,这个辅助电池不直接给数据提供能量,而是为读写和存储数据提供必要的服务。由于辅助电池的作用,射频标签和读写器之间完全可以采用稳定性很强的高频能量。所以,云距离系统的工作频率最低也保持在433MHz以上,有的甚至达到2.4GHz或5.8GHz。

远距离系统应用范围最广,突破了读写器的距离限制,不仅能支持多标签读写,还能对告诉移动的物体进行准确识别。据悉,目前远距离系统的水平已经可以对以80km/h的速度运动的物体进行准确识别,被称为理想的射频识别系统。可惜的是,远距离系统的射频标签和读写器的成本较高,离真正的普及还有一段距离。下图为耦合系统的作用图:

耦合系统的作用图
耦合系统的作用图

数据传输

从上文可以知道,射频标签和读写器之间的通信通过电磁波来实现,按距离分为远场和近场,而数据交换方式也和通信方式略有不同,分为负载调制和反向散射调制。

(1)负载调制。射频标签和读写器之间的交换方式如果类似于变压器的结构,或者只通过无功近场区,就称其为负载调制。这种调制方式的频率很低,一般从125KHz~13.56MHz之间(1MHz=1024KHz),通过准静态电磁场来实现连接。

(2)反向散射调制。在辐射远场区的数据传输中,射频标签和读写器的距离起码在一米以上,而波长最大不过几十厘米,特别是频率在2.4GHz的远距离识别系统中,射频标签和读写器的数据传输方式就是反向散射调制。该技术从射频标签返回数据的方式是控制天线的阻抗,利用了变容二极管、高度开关和逻辑门。

射频标签要发送的数据信号具有两种电平(电路中两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值),通过一个简单的逻辑门(混频器)和中频信号完成调制,依靠调制把数据植入载体后,共同连接到一个阻抗开关,由阻抗开关改变天线场的反射指数。

这种数据传输方式和传统的方式有很大的区别,反向散射调制在数据的传输链中只存在一个发射器,但却能够完成双向互动的通信。这是因为,天线开关可以按照射频标签要发送的数据类型进行打开或关闭。例如,射频标签要发送的数据为“0”时,天线的开关被打开,这时候,标签的天线处于失去匹配状态,辐射到标签的电磁大部分都被反射回了读写器。反过来,射频标签将要发送的数字为“1”时,天线开关关闭,标签的天线处于匹配状态,射频标签这时候可以吸收大部分的电磁能。所以,反射到读写器的电磁能量相对减少,所返回的数据就被调制到了电磁波幅度上,从而便于区分。

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