趙俊江 任慧穎/文

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同頻段電子標(biāo)簽的使用要求，在諸多行業(yè)和領(lǐng)域，電子標(biāo)簽的作用正逐步得到人們的認(rèn)可和肯定。盡管如此，由于無(wú)線射頻識(shí)別的信息交互是靠電磁波來(lái)傳遞完成的，因此電子標(biāo)簽的應(yīng)用又存在著某些局限性。比如在一些金屬性物品或者包裝產(chǎn)品上面，金屬對(duì)電磁波有屏蔽性和反射作用，會(huì)影響電子標(biāo)簽的正常工作。而從市場(chǎng)需求來(lái)看，超高頻類電子標(biāo)簽應(yīng)用面廣，數(shù)量較多。探討超高頻電子標(biāo)簽工作原理，結(jié)合具體應(yīng)用需求進(jìn)行研究，以推動(dòng)電子標(biāo)簽行業(yè)的發(fā)展。

通俗地講，超高頻射頻識(shí)別的工作方式與雷達(dá)原理一樣，是由讀寫(xiě)器按照一定的指令發(fā)送電磁波信號(hào)，電子標(biāo)簽接收到電磁波信號(hào)并被激活，電子標(biāo)簽再根據(jù)指令要求，以電磁波的形式返回信號(hào)；讀寫(xiě)器接收到電子標(biāo)簽返回的信號(hào)后，完成射頻識(shí)別的過(guò)程。

超高頻有效識(shí)別距離

根據(jù)超高頻工作原理，一個(gè)有效的超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)，不僅讀寫(xiě)器發(fā)送的電磁波被電子標(biāo)簽接收到，而且需要電子標(biāo)簽返回的電磁波也能被讀寫(xiě)器接收到，這是一個(gè)雙向的電磁波鏈路。這個(gè)雙向鏈路決定著超高頻有效識(shí)別距離。

正向鏈路

正向鏈路即正向感應(yīng)距離，如圖1所示，讀寫(xiě)器將發(fā)射功率為Pt的能量饋送給具有增益為Gt的發(fā)射天線，在距離R處有一接收天線，此接收天線的增益為Gr，并設(shè)電子標(biāo)簽接收天線而接收到的功率為Pr。

圖1 正向感應(yīng)示意圖

反向鏈路

反向鏈路即反向感應(yīng)距離。正如前面提到的Friis方程及總結(jié)的公式是針對(duì)正向距離的，如圖2所示，表示標(biāo)簽可聽(tīng)到閱讀器“說(shuō)的話”，但不能說(shuō)明閱讀器能聽(tīng)到標(biāo)簽“說(shuō)的話”從而完成對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別工作。

圖2 正向鏈路示意圖

我們?cè)诖颂岢鲆粋€(gè)概念——反向鏈路。其實(shí)任何一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)都是由兩部分鏈路組成的，一部分是讀寫(xiě)器發(fā)給標(biāo)簽的命令標(biāo)簽“聽(tīng)到”了，另一部分是標(biāo)簽返回一個(gè)命令讓讀寫(xiě)器“聽(tīng)到”，這個(gè)鏈路就算完成了，也就是我們常說(shuō)的讀到標(biāo)簽了。那么反向鏈路也就是讀寫(xiě)器聽(tīng)到的能量，如圖3所示。

圖3 反向鏈路示意圖

反向鏈路明確地表示出了讀寫(xiě)器也要聽(tīng)到標(biāo)簽“說(shuō)的話”。由于標(biāo)簽是一個(gè)無(wú)源設(shè)備，返回的能量非常小，這對(duì)讀寫(xiě)器的靈敏度提出了很高的要求。例如，正向功率受限和反向讀寫(xiě)器靈敏度受限有效識(shí)別距離的情況。

正向受限標(biāo)簽靈敏度-10dBm讀寫(xiě)器靈敏度-80dBm(兩條藍(lán)線)，正向能量和反向能量隨距離的變化曲線(紅線和黑線)，如圖4-1所示，可以看到標(biāo)簽可以工作6m的距離，讀寫(xiě)器可以工作12m的距離，取最小一個(gè)，其工作距離是6m，由正向距離決定。而標(biāo)簽的靈敏度則是-10dBm，讀寫(xiě)器靈敏度-30dBm。那么正向距離3m，反向距離1.5m，其工作距離為1.5m，是由反向距離決定的(讀寫(xiě)器靈敏度)，如圖4-2所示。

圖4-1 讀寫(xiě)器功率受限示意圖

圖4-2 標(biāo)簽靈敏度受限示意圖

通過(guò)上述分析，能夠比較容易理解超高頻電子標(biāo)簽有效識(shí)別距離的影響因素。當(dāng)讀寫(xiě)器靈敏度足夠好的時(shí)候，有效識(shí)別距離取決于正向鏈路距離；當(dāng)讀寫(xiě)器靈敏度不好時(shí)，有效識(shí)別距離取決于反向鏈路距離。

天線幾何面積對(duì)識(shí)別距離的影響

在天線效率eA、波長(zhǎng)λ一定的情況下，天線增益G與天線的幾何面積A0成正比關(guān)系。因此，天線幾何面積A0的增加可以有效提高天線的增益G。

有效輻射功率對(duì)識(shí)別距離的影響

通常天線是無(wú)源可逆器件，天線既可以用來(lái)發(fā)射電磁波，也可以用來(lái)接收電磁波。當(dāng)天線用于接收時(shí)，該天線能從來(lái)波中獲取多大的功率。天線最大可接收功率（實(shí)功率）PRM與來(lái)波的實(shí)功率流密度Si是成正比的：PRM=AeSi。

比例系數(shù)Ae具有面積的量綱，因而稱為有效面積。這樣，如一只天線有效面積Ae，便可方便地根據(jù)來(lái)波的功率密度Si求得天線的接收功率。

當(dāng)天線用于發(fā)射時(shí)，天線能形成的有效輻射功率有多大。根據(jù)有效輻射功率定義，有效輻射功率為天線增益G和輸入功率P的乘積。

基于上述分析，在研究讀寫(xiě)器與標(biāo)簽天線的有效輻射功率對(duì)識(shí)別距離的影響方面，我們認(rèn)為在讀寫(xiě)器性能確定的條件下，研究不同標(biāo)簽的有效輻射功率對(duì)識(shí)別距離的影響更有實(shí)際意義。

在讀寫(xiě)器性能一定的情況下，根據(jù)Friis自由空間傳輸公式，標(biāo)簽的有效輻射功率與識(shí)別距離之間存在的關(guān)系，見(jiàn)表1（下頁(yè)）。

表1

而標(biāo)簽有效識(shí)別距離的遠(yuǎn)近，是取決于正向距離還是反向距離，還需要參考圖4-1/4-2中的分析方法具體根據(jù)讀寫(xiě)器及標(biāo)簽各自的靈敏度大小進(jìn)行確定。

超高頻識(shí)別設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

該超高頻識(shí)別設(shè)計(jì)主要是指電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)。而電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)除了計(jì)算方向特性、方向性系數(shù)、天線效率、天線增益、阻抗匹配等因素外，其他考慮的因素就是管理對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境。

立足管理對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)景的原則雖然每個(gè)設(shè)計(jì)成功的超高頻標(biāo)簽都有著優(yōu)秀的性能表現(xiàn)，但由于超高頻電子標(biāo)簽應(yīng)用面很廣泛，管理的對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境較多，所以一種形式的標(biāo)簽設(shè)計(jì)無(wú)法滿足各種應(yīng)用需求。例如，在一些液體產(chǎn)品管理項(xiàng)目中，雖然普通的超高頻電子標(biāo)簽在空氣介質(zhì)中讀取性能表現(xiàn)不錯(cuò)，一旦用于液體產(chǎn)品管理中，靠近液體后，由于液體對(duì)電磁波的吸收，影響到電磁波的方向性，導(dǎo)致讀取距離顯著變短，甚至無(wú)法讀取。在設(shè)計(jì)這種抗液體標(biāo)簽天線時(shí)，需要按照線極化的方式設(shè)計(jì)天線的形狀，減少液體對(duì)電磁波的吸收影響，利用線極化的方向性強(qiáng)的特點(diǎn)滿足讀取要求。

再如，在一些金屬物品的管理中，應(yīng)用的超高頻電子標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)就完全不同于普通的非金屬物品管理使用的電子標(biāo)簽天線形式。比較常見(jiàn)的是微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，天線包括輻射貼片、1/4波長(zhǎng)阻抗轉(zhuǎn)換器、接地貼片、50Ω微帶線、饋電線等。這些抗金屬標(biāo)簽貼到金屬表面后，不僅沒(méi)有影響標(biāo)簽讀取，反而將金屬面作為電磁波的反射面，增強(qiáng)了電磁波的方向性，提高了讀取性能。

理論設(shè)計(jì)從屬實(shí)際測(cè)試的原則HFSS天線設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)成為超高頻天線設(shè)計(jì)的主要計(jì)算機(jī)輔助工具。在明確具體項(xiàng)目和應(yīng)用環(huán)境條件后，設(shè)置求解類型、創(chuàng)建天線結(jié)構(gòu)模型、邊界條件、激勵(lì)方式、設(shè)置求解參數(shù)、運(yùn)行求解分析、查看求解結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?；贖FSS設(shè)計(jì)出的天線需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，如果測(cè)試指標(biāo)與需求有偏差，需要工程技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)天線結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行修正和再優(yōu)化，直到滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。

標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)融合產(chǎn)品包裝的原則智能包裝是一類具有基礎(chǔ)包裝功能，又通過(guò)一維條碼、二維碼、RFID、隱形水印、數(shù)字水印、點(diǎn)陣等技術(shù)，能夠感知、監(jiān)控、記錄、調(diào)整產(chǎn)品所處環(huán)境的相關(guān)信息及功能的包裝產(chǎn)品總稱。其中，基于RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的智能包裝具有非接觸、遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)、快速識(shí)別等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多行業(yè)領(lǐng)域的高度認(rèn)可。但是在形形色色的包裝材料中，有些帶有金屬成分的包裝產(chǎn)品，對(duì)RFID的應(yīng)用帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。實(shí)踐中將包裝材料中金屬成分與標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，把電子標(biāo)簽的生產(chǎn)有機(jī)地融合到產(chǎn)品包裝的制作中，既解決了RFID受金屬屏蔽的技術(shù)難題，又將RFID與包裝產(chǎn)品融為有機(jī)整體。隨著中國(guó)制造2025概念的到來(lái)，各行各業(yè)包裝也逐漸走向高端化、智能化。因此，發(fā)展智能包裝必然成為包裝產(chǎn)品的主流趨勢(shì)。

超高頻射頻識(shí)別是一個(gè)讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間復(fù)雜的信息交互過(guò)程，影響射頻識(shí)別的因素有很多，特別是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，情況更復(fù)雜。只有把理論研究與實(shí)踐探討結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能發(fā)現(xiàn)電子標(biāo)簽的更多用途，讓射頻識(shí)別技術(shù)發(fā)揮出更大的作用和價(jià)值。