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一.反向(xiang)散射耦合RFID系統

1.反向散射

雷達技術(shu)為RFID的(de)(de)反(fan)向(xiang)散(san)射(she)耦合方(fang)式提供了理(li)論和應用基礎。當電磁波遇到空間目(mu)標時(shi)，其(qi)能量(liang)的(de)(de)一部分(fen)被目(mu)標吸收，另(ling)一部分(fen)以不同的(de)(de)強度散(san)射(she)到各(ge)個方(fang)向(xiang)。在散(san)射(she)的(de)(de)能量(liang)中(zhong)，一小部分(fen)反(fan)射(she)回發(fa)射(she)天(tian)線(xian)，并被天(tian)線(xian)接收(因此發(fa)射(she)天(tian)線(xian)也是接收天(tian)線(xian))，對(dui)接收信號進行(xing)放大和處理(li)，即(ji)可獲得目(mu)標的(de)(de)有關信息。

2.RFID反向散射耦(ou)合方(fang)式

一個目標反(fan)(fan)(fan)(fan)射電磁(ci)波(bo)的(de)頻(pin)(pin)率由(you)反(fan)(fan)(fan)(fan)射橫截面來(lai)確定。反(fan)(fan)(fan)(fan)射橫截面的(de)大小與一系列的(de)參數(shu)有關，如目標的(de)大小、形狀(zhuang)和材料，電磁(ci)波(bo)的(de)波(bo)長和極化方(fang)(fang)向等。由(you)于目標的(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)射性能通常(chang)隨頻(pin)(pin)率的(de)升高而增(zeng)強(qiang)，所以RFID反(fan)(fan)(fan)(fan)向散(san)射耦合方(fang)(fang)式采用特高頻(pin)(pin)和超高頻(pin)(pin)，應(ying)答(da)器和讀(du)寫(xie)器的(de)距(ju)離大于1 m。

RFID反向散射耦合方(fang)式(shi)的原理框圖如圖2-9所(suo)示(shi)，讀(du)寫器、應(ying)答器和天(tian)線構成(cheng)一個收發通信系統。

1)應答器的能量供(gong)給

無(wu)源應(ying)答器(qi)的(de)(de)能量由讀(du)寫器(qi)提(ti)供(gong)，讀(du)寫器(qi)天(tian)線(xian)發射的(de)(de)功率P1經自由空間衰(shuai)減后(hou)到(dao)達應(ying)答器(qi)，設到(dao)達功率為 。 中被吸收的(de)(de)功率經應(ying)答器(qi)中的(de)(de)整流電路后(hou)形成應(ying)答器(qi)的(de)(de)工作電壓(ya)。

在UHF和SHF頻率(lv)范圍(wei)(wei)，有關(guan)電磁兼(jian)容的標(biao)準對(dui)讀寫器(qi)所能發(fa)射的最大功率(lv)有嚴格的限制，因此在有些應(ying)用中，應(ying)答(da)器(qi)采用完全無源方式會有一定困難。為(wei)解決應(ying)答(da)器(qi)的供(gong)電問題，可在應(ying)答(da)器(qi)上(shang)安裝(zhuang)附加(jia)電池(chi)。為(wei)防止電池(chi)不必要的消(xiao)耗(hao)(hao)，應(ying)答(da)器(qi)平時(shi)處于(yu)低功耗(hao)(hao)模式，當應(ying)答(da)器(qi)進入讀寫器(qi)的作(zuo)用范圍(wei)(wei)時(shi)，應(ying)答(da)器(qi)由獲得的射頻功率(lv)激(ji)活，進入工作(zuo)狀態。

2)應答器(qi)至讀寫器(qi)的數據傳輸(shu)

由讀(du)寫器(qi)(qi)傳到應答器(qi)(qi)的功率(lv) 的一部分被天線反射，反射功率(lv)P2經自由空間(jian)后(hou)返回讀(du)寫器(qi)(qi)，被讀(du)寫器(qi)(qi)天線接(jie)(jie)收(shou)(shou)(shou)。接(jie)(jie)收(shou)(shou)(shou)信號經收(shou)(shou)(shou)發耦合器(qi)(qi)電路(lu)傳輸到讀(du)寫器(qi)(qi)的接(jie)(jie)收(shou)(shou)(shou)通道，被放大后(hou)經處理電路(lu)獲得有用(yong)信息。

應(ying)答器天(tian)線的(de)反(fan)(fan)射性能受連接到天(tian)線的(de)負(fu)載(zai)變化的(de)影響，因此，可(ke)采用相同的(de)負(fu)載(zai)調(diao)制方法(fa)實現(xian)反(fan)(fan)射的(de)調(diao)制。其表現(xian)為反(fan)(fan)射功(gong)率(lv)P2是振幅調(diao)制信(xin)號，它包含了(le)存儲在應(ying)答器中的(de)識別數據(ju)信(xin)息。

3)讀寫(xie)器至應答器的(de)數據傳輸

讀寫器(qi)至應答(da)器(qi)的(de)命令及數據(ju)傳輸，應根(gen)據(ju)RFID的(de)有(you)關標準進(jin)行(xing)編(bian)碼和調制，或者按(an)所選(xuan)用應答(da)器(qi)的(de)要求進(jin)行(xing)設計(ji)。

3.聲(sheng)表面波應(ying)答器

1)聲表面波(bo)器件

聲表面波(bo)(Surface Acoustic Wave，SAW)器件以壓電效應和與表面彈性(xing)相關(guan)的低速傳播的聲波(bo)為依據。SAW器件體(ti)積小(xiao)、重量輕(qing)、工作頻率(lv)高、相對(dui)帶寬較寬，并且(qie)可以采用與集成電路(lu)工藝(yi)相同的平面加工工藝(yi)，制(zhi)造簡單(dan)，重獲(huo)得性(xing)和設計靈(ling)活性(xing)高。

聲表面波(bo)(bo)(bo)器件具有(you)廣泛的(de)應(ying)用，如通信(xin)設備中的(de)濾(lv)波(bo)(bo)(bo)器。在RFID應(ying)用中，聲表面波(bo)(bo)(bo)應(ying)答器的(de)工作(zuo)頻率目前主要為2.45 GHz。

2)聲表面(mian)波應答器

聲表面波(bo)應答器(qi)(qi)的(de)基(ji)(ji)本結構如(ru)圖2-10所示，長(chang)長(chang)的(de)一條壓(ya)電(dian)晶體(ti)基(ji)(ji)片(pian)的(de)端(duan)部(bu)有指狀電(dian)極結構。基(ji)(ji)片(pian)通常采用(yong)石英鈮酸鋰(li)或鉭酸鋰(li)等壓(ya)電(dian)材(cai)料制作(zuo)，指狀電(dian)極電(dian)聲轉換器(qi)(qi)(換能器(qi)(qi))。在(zai)壓(ya)電(dian)基(ji)(ji)片(pian)的(de)導電(dian)板上附(fu)有偶極子天線，其工(gong)作(zuo)頻率和讀寫(xie)器(qi)(qi)的(de)發送頻率一致。在(zai)應答器(qi)(qi)的(de)剩余長(chang)度安裝了反(fan)(fan)射器(qi)(qi)，反(fan)(fan)射器(qi)(qi)的(de)反(fan)(fan)射帶通常由(you)鋁制成。

讀(du)寫器送出的(de)(de)(de)(de)(de)射(she)(she)頻(pin)脈沖序列電(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)(hao)(hao)，從(cong)應(ying)答器的(de)(de)(de)(de)(de)偶(ou)極子(zi)天線饋送至換(huan)(huan)能器。換(huan)(huan)能器將電(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)(hao)(hao)轉換(huan)(huan)為聲(sheng)波(bo)。轉換(huan)(huan)的(de)(de)(de)(de)(de)工作原理是利(li)用壓電(dian)(dian)(dian)襯(chen)底在(zai)電(dian)(dian)(dian)場作用時(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹和收(shou)縮效應(ying)。電(dian)(dian)(dian)場是由指狀電(dian)(dian)(dian)極上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)位差(cha)形成的(de)(de)(de)(de)(de)。一個時(shi)變輸入電(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(即射(she)(she)頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)(hao))引起壓電(dian)(dian)(dian)襯(chen)底振動，并沿(yan)其表(biao)面(mian)產生聲(sheng)波(bo)。嚴格(ge)地說，傳輸的(de)(de)(de)(de)(de)聲(sheng)波(bo)有表(biao)面(mian)波(bo)和體波(bo)，但主要(yao)是表(biao)面(mian)波(bo)，這種表(biao)面(mian)波(bo)縱向通(tong)過基片。一部分表(biao)面(mian)波(bo)被每個分布在(zai)基片上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)反向帶反射(she)(she)，而剩余(yu)部分到達基片的(de)(de)(de)(de)(de)終端(duan)后被吸收(shou)。

一(yi)部(bu)分反向波返(fan)回(hui)換(huan)(huan)能(neng)器(qi)，在那(nei)里被轉換(huan)(huan)成射(she)(she)(she)頻脈(mo)沖序列(lie)電(dian)信號(hao)(即將聲波變換(huan)(huan)為電(dian)信號(hao))，并(bing)被偶極(ji)子天(tian)線傳送至讀(du)寫器(qi)。讀(du)寫器(qi)接(jie)收(shou)到的(de)脈(mo)沖數量(liang)與基片上的(de)反射(she)(she)(she)帶數量(liang)相符，單(dan)個(ge)脈(mo)沖之間(jian)的(de)時間(jian)間(jian)隔(ge)(ge)與基片上反射(she)(she)(she)帶的(de)空(kong)間(jian)間(jian)隔(ge)(ge)成比例(li)，從而通過反射(she)(she)(she)的(de)空(kong)間(jian)布局可(ke)以表(biao)示(shi)一(yi)個(ge)二進(jin)制的(de)數字序列(lie)。

由于(yu)基(ji)片上的表(biao)(biao)面(mian)(mian)波傳播速(su)度緩慢，在(zai)讀寫器的射(she)頻脈(mo)沖(chong)序(xu)列電(dian)信號發(fa)送后，經(jing)過約1.5 ms的滯(zhi)后時(shi)間，從應(ying)(ying)答(da)(da)器返(fan)回的第一個應(ying)(ying)答(da)(da)脈(mo)沖(chong)才到達(da)。這(zhe)是表(biao)(biao)面(mian)(mian)波應(ying)(ying)答(da)(da)器時(shi)序(xu)方式的重(zhong)要優(you)點。因(yin)為在(zai)讀寫器周圍所(suo)處環境中的金屬表(biao)(biao)面(mian)(mian)上的反(fan)向信號以光速(su)返(fan)回到讀寫器天線(例如，與讀寫器相(xiang)距100 m處的金屬表(biao)(biao)面(mian)(mian)反(fan)射(she)信號，在(zai)讀寫器天線發(fa)射(she)之后0.6 ms就能返(fan)回讀寫器)，所(suo)以當應(ying)(ying)答(da)(da)器信號返(fan)回時(shi)，讀寫器周圍的所(suo)有金屬表(biao)(biao)面(mian)(mian)反(fan)射(she)都已消失，不(bu)會干(gan)擾返(fan)回的應(ying)(ying)答(da)(da)信號。

聲表面(mian)波應答器的數據(ju)存儲能力(li)和數據(ju)傳輸(shu)取決于基(ji)片的尺寸和反射帶之間所能實現(xian)的最(zui)短間隔，實際上，16～32 bit的數據(ju)傳輸(shu)率大約為(wei)500kb/s。

聲表面(mian)波RFID系統的作(zuo)用距(ju)離主要取決于讀寫(xie)器所(suo)能允許的發射功率，在2.45 GHz下，作(zuo)用距(ju)離可達到1～2 m。

采(cai)用偶極子天(tian)(tian)線的(de)好處(chu)是它的(de)輻射(she)能力強，制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝簡單，成本低，而且能夠實(shi)現全向(xiang)性的(de)方向(xiang)圖(tu)。微帶(dai)貼片天(tian)(tian)線的(de)方向(xiang)圖(tu)是定向(xiang)的(de)，適用于通信方向(xiang)變化不大的(de)RFID系統，但工(gong)(gong)藝較為復(fu)雜，成本也(ye)相(xiang)對較高(gao)。