UHF RFID標簽解讀　

UHF頻段的反向散射RFID系統是根據電磁波的反向散射原理工作的，無(wú)論是無(wú)源標簽還是有源標簽，標簽中存貯數據的讀取過(guò)程都是依靠標簽天線(xiàn)將接收到的電磁波進(jìn)行反向散射調制來(lái)完成。
因此，探討反向散射燈ID的電磁場(chǎng)理論基礎是對研究閱讀器和標簽之間的能量和數據傳輸非常必要的，下面從標簽天線(xiàn)的輻射、接收和散射等三方面來(lái)探討反向散射RFID技術(shù)的電磁場(chǎng)理論基礎，并建模仿真兩種實(shí)際應用的標簽結構來(lái)驗證標簽的性能主要決定因素。

標簽天線(xiàn)的輻射與接收

UHF頻段的反向散射即ID系統是一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)通信系統。對于標簽來(lái)說(shuō)，它既要有效地接收閱讀器發(fā)射來(lái)電磁波，又要有效地向閱讀器反射回電磁波。而電磁波的發(fā)射和接收需要通過(guò)標簽的天線(xiàn)來(lái)完成。標簽天線(xiàn)主要有偶極子天線(xiàn)、折疊偶極子天線(xiàn)、變形折合天線(xiàn)等。所以我們有必要首先以電流元的輻射發(fā)射特性來(lái)深入研究天線(xiàn)的發(fā)射和接收，然后分析天線(xiàn)的各項電參數，這些是進(jìn)一步研究UHF頻段標簽天線(xiàn)原理的必要基礎。


圖1：標簽的構成，chip(芯片），strap(連接帶），antenna(天線(xiàn)），laminate(基片）


根據天線(xiàn)的結構形式，一般將其分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是由導線(xiàn)或金屬棒構成的天線(xiàn)，稱(chēng)為線(xiàn)狀天線(xiàn)或線(xiàn)天線(xiàn);另一類(lèi)則是類(lèi)似聲學(xué)或光學(xué)設備;由金屬圓面或介質(zhì)圓面構成的天線(xiàn)，稱(chēng)為面狀天線(xiàn)或面天線(xiàn)。在RFD標簽天線(xiàn)中主要采用線(xiàn)天線(xiàn)。

然而無(wú)論是線(xiàn)天線(xiàn)或面天線(xiàn)，都可以分割為無(wú)限多個(gè)基本元，在這些基本元上載有交變高頻電流或磁流。在每一個(gè)基本元上的電磁流的振幅、相位和方向均假設是相同的。這樣一具體天線(xiàn)則由這些基本元按一定的結構形式拼接而成。當然，各個(gè)元上的電磁流的振幅、尺寸以及方向可能是不相同的具體的分布形式由天線(xiàn)的幾何形狀尺寸以及激勵條件所決定。根據基本元的輻射特性，可按電磁場(chǎng)的疊加原理得出各類(lèi)天線(xiàn)的輻射特性。

基本元的類(lèi)型可以分為三類(lèi)。一類(lèi)是電流元，元上載有交變電流，又稱(chēng)之為電基本振子;第二類(lèi)為磁流元，又稱(chēng)為磁基本振子，元上載有交變磁流;根據電磁場(chǎng)對偶性原理，磁基本振子的輻射場(chǎng)可從電基本振子的輻射場(chǎng)對應得出;第三類(lèi)為面基本元，依據等效原理可將面元上的磁場(chǎng)與電場(chǎng)分別用等效電流元和等效磁流元來(lái)代替，這樣可以用電基本振子和磁基本振子的結果而得出面元的輻射特性。


圖2：標簽與閱讀器的電磁耦合
天線(xiàn)的散射過(guò)程可用發(fā)射天線(xiàn)T、散射天線(xiàn)S和接收天線(xiàn)R構成的線(xiàn)性三端口網(wǎng)絡(luò )系統來(lái)描述(如圖3)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分析方法求出接收天線(xiàn)R處散射場(chǎng)ES的表達式。天線(xiàn)的散射通常包括兩個(gè)部分:一部分是與散射天線(xiàn)負載情況無(wú)關(guān)的結構項散射場(chǎng)，它是由于入射平面波在天線(xiàn)結構上的感應電流或位移電流所產(chǎn)生的散射場(chǎng)，其散射機理與普通散射場(chǎng)機理相同，另一部分則是隨天線(xiàn)負載情況而變化的天線(xiàn)的模式項散射場(chǎng)，其是由于負載與天線(xiàn)不匹配而反射的功率經(jīng)天線(xiàn)再輻射而產(chǎn)生的散射場(chǎng)，這是天線(xiàn)作為一個(gè)加載散射體而特有的散射。


圖3：由發(fā)射、散射和接收天線(xiàn)構成的三端口網(wǎng)絡(luò )

標簽的芯片一般可以實(shí)現三種阻抗變化:一種是開(kāi)路，一種是短路，另一種是匹配負載。在大部分情形下，標簽采用短路和匹配負載兩種狀態(tài)來(lái)分別代表0和1兩種信息位。在這兩種狀態(tài)下，標簽天線(xiàn)的反射系數F會(huì )相應的做出改變。從而對標簽RCS值產(chǎn)生顯著(zhù)影響。這樣如果標簽的RCS很大，而且在短路和匹配負載兩種狀態(tài)下的RCS變化值很大，很顯著(zhù)的結果就是增加標簽的可讀性。這也是從根本上提高標簽性能的方法之一。


圖4：調制的雷達散射截面的變化說(shuō)明


當標簽天線(xiàn)負載阻抗Z:與天線(xiàn)的輸入阻抗完全匹配時(shí)，天線(xiàn)接收到的能量被完全吸收，并且r=O，所以此時(shí)標簽天線(xiàn)的散射截面只由天線(xiàn)結構項散射截面?_S構成。當天線(xiàn)短路時(shí)，即Z_L=O時(shí)，則天線(xiàn)接收到的功率全部被天線(xiàn)反射出去，也就是r=一1，此時(shí)標簽天線(xiàn)的散射截面由天線(xiàn)結構項散射截面?_S和天線(xiàn)模式項散射截面?_e構成。當天線(xiàn)開(kāi)路時(shí)Z_L=∞，r=1，此時(shí)，天線(xiàn)模式項散射截面?_e為負，所以天線(xiàn)的總散射截面為最小值，不利于識別，因此大多數情況采用匹配負載和短路兩種情形。

因此散射截面的變化與負載電阻及有關(guān)。RFID系統正是利用這一特性，通過(guò)芯片內存儲的數據信息來(lái)控制天線(xiàn)負載的變化也就是RCS的變化，從而將電子標簽存儲的數據信息調制到反射的電磁波中并發(fā)送到閱讀器中，實(shí)現了數據的讀取過(guò)程。電子標簽中的可變負載要隨著(zhù)傳輸數據流的節拍變化，這樣，散射截面面積實(shí)際上被芯片存貯的數據流調制。因為由電子標簽反射的信號功率是由數據調制決定的，所以這種調制相當于通信原理中的幅移鍵控(ASK)。

圖5：Tag Angular Sensitivity