工作原理及类型

4.2.2　RFID系统的结构、工作原理及类型

1．RFID系统的组成

RFID系统主要由标签、阅读器、天线组成。① 标签（Tag）:由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上用于标识目标对象。②阅读器（Reader）又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器，是读取或写入标签信息的设备，一般分手持和固定两种。③天线（Antenna）:是在标签和阅读器间传递射频信号的重要构件。

（1）电子标签内部各模块的功能^[11]，如图4-7所示。

图4-7　电子标签结构图

①天线:用来接收阅读器发送的信号，并把数据信息回传给阅读器。

②电压调节器:将标签阅读器送来的射频信号转换为直流电源，通过大电容储存能量，经稳压电路以提供稳定的电源。

③调制器:逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器。

④解调器:除去载波取出真正的调制信号。

⑤逻辑控制单元:用来译码阅读器送来的信号，并按要求回送数据给阅读器。

⑥存储单元:包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。

（2）阅读器内部各模块功能，如图4-8所示。

①射频接口:产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量；对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签；接收并调制来自电子标签的射频信号。

图4-8　RFID阅读器结构图

②逻辑控制单元（或称读写模块）:与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令；控制阅读器与电子标签的通信过程；信号的编码与解码；对阅读和标签之间传输的数据进行加密和解密；执行防碰撞算法；对阅读器和标签的身份进行验证。

③阅读天线:是将收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。

2．关于反向散射调制的能量传输^[12]

（1）阅读器到标签的能量传输。在离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度可表示为:

表达式（4-9），P_Tx为读写的发射功率；G_Tx为发射天线的增益；R是标签到读写器天线之间的距离；EIRP为天线的有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。

在电子标签和发射天线都处于最佳对准和正确极化时，电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度S成正比，并可表示为:

式（4-10）中，A_e为电子标签的有效面积，可表示为:

而G_Tag为电子标签的天线增益。所以有:

无源射频识别系统的电子标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写距离越短，性能越差。射频电子标签能否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）标签到阅读器的能量传输。电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比，它是目标反射电磁波能力的测度。散射截面取决于目标的大小、形状、材料和表面结构，以及反向电磁波的特性。

电子标签在空间某个位置接收到的电磁波，一部分自身吸收用于自身工作的能量，另一部分被反射回去，电子标签反射电磁波的能量为:

所以返回阅读器的功率密度为:

接收天线的有效面积为:

式（4-15）中，G_Rx为接收天线的增益。

可得出阅读器接收的标签反射信号的总功率为:

式（4-16）表明，如果以接收的标签反射能量为标准，则反向散射的射频识别的作用距离与读写器发送功率的四次方根成正比。

3．工作原理

当电子标签进入磁场后，接收阅读器（Reader）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物品信息，或者主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，并发送一定工作频率的无线电波方式（非接触性）自动读写标签内的数据信息后，送至中央计算机系统进行有关数据处理。

目前RFID系统的主要工作频率和有效识别距离为:低频为125～134kHz，识别距离＜0.5m；高频为13.56mHz，识别距离小于1m；特高频为869mHz、902～928mHz，识别距离为4～8m；微波为2.54GHz，识别距离可达100m。RFID的识别距离可从几厘米到十几米，应用范围十分广泛，如我国第二代身份证采用的就是13.56MHz。

4．电子标签的类型

将标签内含有电池的称“有源电子标签（Active Tags）” ，标签内不含有电池的称“无源电子标签” ； “有源电子标签”工作频段高，识别距离较远，和读写器之间的通信速率也较高；而“无源电子标签”则与之相反。