RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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4.3.7無芯超高頻RFID技術(shù)

整個超高頻RFID系統(tǒng)的成本主要取決于標(biāo)簽的成本，因此，許多企業(yè)和學(xué)者努力開發(fā)無芯片RFID標(biāo)簽，這意味著市場正在尋找更低成本的標(biāo)簽解決方案。迄今為止，市面上僅有的無芯片RFID標(biāo)簽是表面聲波（SAW）標(biāo)簽。

今天，一個不斷增長的趨勢是用超高頻RFID標(biāo)簽來代替條形碼。超高頻RFID系統(tǒng)仍然沒能取代條形碼的唯一原因是標(biāo)簽的價格。與條形碼相比，目前存在的超高頻RFID標(biāo)簽的成本仍然高出很多，其主要成本來自于鑲嵌在標(biāo)簽中作為信息承載和處理器件的芯片以及封裝的成本，這兩部分占Inlay成本超過80%。正是由于RFID與條碼的成本相差懸殊，因此RFID標(biāo)簽的使用率連條碼的0.1%都不到。因此，無芯RFID技術(shù)的探索提上日程，即使這個技術(shù)仍然處于萌芽狀態(tài)，但在工業(yè)界中已經(jīng)有了很大的發(fā)展。

近些年來，市場上已經(jīng)報道了一些無芯片RFID標(biāo)簽的開發(fā)工作。然而，大多數(shù)標(biāo)簽仍然是作為試驗樣品來進(jìn)行報道的，并且從商業(yè)角度上講，只有少量的結(jié)果被認(rèn)為是可行的。在設(shè)計無芯片RFID標(biāo)簽時，研究者們所面臨的挑戰(zhàn)是，如何在沒有芯片的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和存儲。根據(jù)這個問題，可以將無芯RFID標(biāo)簽劃分為如圖4-51所示的三種基本類型。

根據(jù)公開文獻(xiàn)，有可能將無芯片RFID 標(biāo)簽劃分為三個主要類型：

基于時域反射計（TDR）的無芯片標(biāo)簽；

基于頻譜特征的無芯片標(biāo)簽；

基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯片標(biāo)簽。

圖4-51無芯RFID標(biāo)簽分類

01、基于時域反射計的無芯片標(biāo)簽

基于TDR的無芯片標(biāo)簽的詢問過程：閱讀器發(fā)出一個脈沖形式的信號，然后接收由標(biāo)簽發(fā)出的脈沖回波。因而，會生成一串脈沖，這個脈沖可以被用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。與含有芯片的標(biāo)簽相比，這種標(biāo)簽的優(yōu)點是低成本，更大的帶寬范圍，以及能夠用于定位應(yīng)用的能力。這種標(biāo)簽的缺點在于：標(biāo)簽編碼的位數(shù)少；能夠產(chǎn)生且探測超寬帶（UWB）脈沖所要求的高速閱讀器實現(xiàn)較難。市場上已經(jīng)報道了采用TDR技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼的一些RFID 標(biāo)簽，可以將其分為不可印刷式和可印刷式TDR標(biāo)簽兩種。

（1）不可印刷式TDR無芯標(biāo)簽

其中，不可印刷式TDR無芯片RFID標(biāo)簽的一個典型例子是由RF SAW公司開發(fā)的SAW標(biāo)簽。SAW標(biāo)簽是由閱讀器所發(fā)出的中心頻率為2.45GHz的線性啁啾高斯脈沖（chirped Gaussian pulse）來激勵的，如圖4-52所示為一款聲表面波（SAW）標(biāo)簽的電路架構(gòu)。

圖4-52聲表面波（SAW）標(biāo)簽的電路架構(gòu)

詢問脈沖通過使用一個叉指轉(zhuǎn)換器（IDT）來轉(zhuǎn)換為表面聲波。聲波穿過壓電晶體，并且由多個反射體進(jìn)行反射，這便生成了一串具有相位偏移的脈沖。這個脈沖串又通過使用IDT而被轉(zhuǎn)換變回EM波，并且在閱讀器這一端進(jìn)行探測，此時，標(biāo)簽的ID便可以通過解碼而得到。實際上這僅有的一款量產(chǎn)的無芯SAW RFID產(chǎn)品由于成本和結(jié)構(gòu)的影響，只用于無線測溫的應(yīng)用中（8.5.2節(jié)介紹了該產(chǎn)品于其它無線測溫的技術(shù)對比），通過溫度對聲表面波器件的頻率影響從而實現(xiàn)對ID號碼和當(dāng)前溫度的采集。然而，這個產(chǎn)品的市場受到了無源測溫RFID芯片（見4.6.2節(jié)）的沖擊，市場份額也在逐漸萎縮。

（2）可印刷式TDR無芯標(biāo)簽

可印刷式TDR無芯片標(biāo)簽可以用薄膜晶體管電路（TFTC）或具有不連續(xù)性的基于微帶線的標(biāo)簽來實現(xiàn)。TFTC標(biāo)簽是在低成本的塑料薄膜上高速印刷的。TFTC標(biāo)簽由于其較小的尺寸和較低的功耗而具有比有源和無源含芯片標(biāo)簽更優(yōu)越的性能。它們比其它無芯片標(biāo)簽需要更高的功率，但也具有更多的功能。然而，人們現(xiàn)在還沒有開發(fā)出用于TFTC標(biāo)簽的低成本制造工藝。有機(jī)TFTC可以提供一個具有成本效益的解決方案。正在進(jìn)行有機(jī)TFTC 開發(fā)的一個研究所是日本國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)和技術(shù)研究院（AIST）。如圖4-53所示，為在柔軟的塑料薄膜上印刷的有機(jī)TFTC標(biāo)簽。

圖4-53柔軟的塑料薄膜上印刷的有機(jī)TFTC標(biāo)簽

在柔軟的塑料薄膜上印刷的有機(jī)薄膜晶體管電路存在另一個問題：較低的電子遷移率，這便將工作頻率限制在幾兆赫茲這個水平上?；谘舆t線的無芯片標(biāo)簽是通過在一段延遲線后使用一個微帶線的不連續(xù)性來工作的。一個基于延遲線的無芯片標(biāo)簽如圖4-54所示，其中含有貼片天線和延遲線。

圖4-54基于延遲線的無芯片標(biāo)簽

標(biāo)簽是由一個短脈沖（一般為1ns）EM信號來激勵的。詢問脈沖由標(biāo)簽來接收，并且在沿著微帶線的不同點處產(chǎn)生反射，生成了詢問脈沖的多個回波，如圖4-55所示。

圖4-55基于延遲線的無芯片標(biāo)簽的詢問和編碼

回波之間的時延是由不連續(xù)點之間延遲線的長度來決定的。這種類型的標(biāo)簽是采用微帶線技術(shù)來再現(xiàn)SAW標(biāo)簽，微帶線技術(shù)使其成為可印刷式標(biāo)簽。雖然人們已經(jīng)報道了這種無芯片技術(shù)最初的試驗，但只能成功地進(jìn)行4 比特數(shù)據(jù)的編碼，突顯出這種技術(shù)的局限性。

02、基于頻譜特征的無芯片標(biāo)簽

基于頻譜特征的無芯片標(biāo)簽采用諧振結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)編碼進(jìn)入頻譜中。每個數(shù)據(jù)比特通常與頻譜的預(yù)設(shè)頻率點上諧振峰值的出現(xiàn)與否相關(guān)。這些標(biāo)簽的優(yōu)點是，完全可印刷、牢靠、比其它無芯片標(biāo)簽具有更大的數(shù)據(jù)存儲能力，且成本低。其缺點是用于數(shù)據(jù)編碼所要求的頻譜寬，無芯片標(biāo)簽對方向性、尺寸、和寬帶以及專用閱讀器中的射頻部件都有一定的要求。到目前為止，市場上已經(jīng)報道了多種基于頻譜特征的可印刷式標(biāo)簽?？梢愿鶕?jù)標(biāo)簽的性質(zhì)，可分為化學(xué)類標(biāo)簽和平面電路類標(biāo)簽。

（1）化學(xué)類無芯片標(biāo)簽

化學(xué)類標(biāo)簽是通過噴鍍諧振纖維或特殊的電子墨水來實現(xiàn)的。以色利有兩家公司利用納米材料來設(shè)計無芯片標(biāo)簽。這些標(biāo)簽是由很小的化學(xué)粒子組成的，這些化學(xué)粒子展示出不同程度的磁性，當(dāng)受到電磁波撞擊時，它們便會在不同的頻率上產(chǎn)生諧振，閱讀器便可以探測到這些諧振頻率。。這類標(biāo)簽因其輕薄、便宜的特點，特別適用于紙張、重要文件等物品的防偽和鑒定等應(yīng)用。

油墨刺紋（inktattoo）無芯片標(biāo)簽也是化學(xué)類無芯片標(biāo)簽的另一種典型代表。這種標(biāo)簽采用的方法為嵌入或表面打印電子油墨天線刺紋。閱讀器通過一個高頻微波信號（> 10GHz）與該標(biāo)簽進(jìn)行通信。讀取距離據(jù)宣稱可以達(dá)到1.2m。

（2）平面電路無芯片標(biāo)簽

平面電路無芯片RFID標(biāo)簽是采用標(biāo)準(zhǔn)平面微帶線/共面波導(dǎo)/帶狀線諧振結(jié)構(gòu)，如天線，濾波器以及分形結(jié)構(gòu)來進(jìn)設(shè)計的。這些結(jié)構(gòu)可以印刷在厚、薄及柔軟度不同層壓板和聚合物基片上的。無芯片標(biāo)簽由若干個偶極子天線組成，這些天線在不同頻率處產(chǎn)生諧振?？梢赃M(jìn)行容性調(diào)諧的偶極子天線標(biāo)簽示如圖4-56。當(dāng)標(biāo)簽由一個掃頻信號來詢問時，閱讀器會尋找因偶極子而在頻譜中所產(chǎn)生的幅度驟降（諧振吸收，反射減?。Ｃ總€偶極子與數(shù)據(jù)比特位具有一一對應(yīng)的關(guān)系。這種技術(shù)所涉及的問題包括標(biāo)簽尺寸（較低頻率對應(yīng)著較長的偶極子，與半波長相關(guān)）以及偶極子單元之間的互耦效應(yīng)（mutual coupling）。

圖4-56容性調(diào)諧的偶極子被用作一個11比特?zé)o芯片RFID標(biāo)簽

被用于頻譜特征圖形編碼RFID標(biāo)簽的空間填充曲線最早是由McVay報道的。標(biāo)簽被設(shè)計為Piano和Hilbert曲線，諧振中心頻率大約為900MHz。標(biāo)簽代表的是一個可以進(jìn)行頻率選擇的表面，這個表面是通過使用空間填充曲線來操縱的（如Hilbert曲線和Piano曲線）?？臻g填充曲線顯示出在頻率點上諧振的一個特性，其波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的尺寸。利用這個優(yōu)勢，可以實現(xiàn)在超高頻頻率范圍內(nèi)開發(fā)小尺寸標(biāo)簽。圖4-57所示的一個5比特空間填充曲線無芯片標(biāo)簽，這個標(biāo)簽是由5個二階Piano曲線陣列組成的，它可以在標(biāo)簽的雷達(dá)截面上（RCS）產(chǎn)生5個峰值。

圖4-57基于Piano曲線的5比特標(biāo)簽和標(biāo)簽雷達(dá)截面的頻譜特征

這類標(biāo)簽的優(yōu)點是尺寸較小，這是由空間填充曲線而產(chǎn)生的。然而，標(biāo)簽的缺點是，為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，要求對版圖進(jìn)行很大的修改。

LC諧振無芯片標(biāo)簽包含一個簡單的線圈，它會在一個特定頻率處進(jìn)行諧振。這些標(biāo)簽被看作是1比特RFID標(biāo)簽。其工作原理是基于閱讀器和LC諧振標(biāo)簽之間的磁耦合。閱讀器不斷地進(jìn)行著掃頻來尋找標(biāo)簽。一旦掃描的頻率與標(biāo)簽的諧振頻率相一致，標(biāo)簽便開始振蕩，從而在閱讀器的天線端口產(chǎn)生一個電壓驟降。這種標(biāo)簽的優(yōu)點是價格低、結(jié)構(gòu)簡單（單個諧振線圈）。但工作范圍小、信息存儲?。?比特）、工作帶寬窄和多標(biāo)簽之間有相互沖突的問題。這些標(biāo)簽主要用于超市和零售商店的電子物品防盜標(biāo)簽（EAS）。

基于多諧振體的無芯片RFID標(biāo)簽由在Monash大學(xué)工作的作者設(shè)計并申請了專利。無芯片標(biāo)簽包含了三個主要部件：發(fā)射（Tx）和接收（Rx）天線及多諧振電路。一個含有基本部件的集成化無芯片RFID標(biāo)簽的方框圖示于圖4-58。

圖4-58多諧振體無芯片RFID 標(biāo)簽的電路方框圖

基于多諧振體的無芯片RFID標(biāo)簽包含了一個垂直極化的UWB圓片加載的單極接收標(biāo)簽天線，一個多諧振電路和一個水平極化的UWB圓片加載的單極發(fā)射標(biāo)簽天線。閱讀器發(fā)出一個掃頻連續(xù)波信號來進(jìn)行詢問，當(dāng)詢問信號到達(dá)標(biāo)簽時，使用Rx單極天線接收并且向多諧振電路進(jìn)行傳播。多諧振電路采用級聯(lián)的螺旋線諧振器來對數(shù)據(jù)位進(jìn)行編碼，這便會在頻譜中特定的頻率上引入衰減和相位的跳躍。在通過了多諧振電路之后，信息便包含了標(biāo)簽的一個獨特的頻譜特征，隨后通過使用Tx單極標(biāo)簽天線而被發(fā)回到閱讀器。為了將詢問信號與之后發(fā)射的包含有頻譜特征的編碼信號之間的干擾減到最小程度，Rx和Tx標(biāo)簽天線交叉極化。圖4-59展示了一個在TaconicTLX-0上（εr=2.45，h=0.787mm，tanδ=0.0019）設(shè)計的一個35比特的標(biāo)簽。

圖4-5935比特?zé)o芯片RFID 標(biāo)簽的照片（長度=88mm，寬度=65mm）

基于多諧振器的標(biāo)簽和前面所介紹標(biāo)簽的主要區(qū)別在于，這種標(biāo)簽對數(shù)據(jù)在幅度和相位上均要進(jìn)行編碼，標(biāo)簽工作在UWB的范圍，它可以支持簡單的螺線管，從而縮短了數(shù)據(jù)編碼，并且標(biāo)簽響應(yīng)并不是在RCS反向散射的基礎(chǔ)上形成的，而是通過將含有編碼的唯一的頻譜ID的交叉極化詢問信號再次傳輸來進(jìn)行的。

03、基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯片標(biāo)簽

基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯片標(biāo)簽比基于TDR和基于頻譜特征標(biāo)簽的操作所要求的帶寬要小。數(shù)據(jù)編碼是通過改變基于無芯片標(biāo)簽天線的負(fù)載來改變反向散射信號的幅度或相位而實現(xiàn)的。負(fù)載的改變不通過處于兩個阻抗之間的接通/關(guān)閉開關(guān)來控制（芯片實現(xiàn)方式），它是由標(biāo)簽天線的電抗性負(fù)載來進(jìn)行控制的。天線負(fù)載會在幅度或相位上對天線的RCS產(chǎn)生影響，而這個影響可以由一個專用的RFID閱讀器來進(jìn)行探測。由于天線負(fù)載是一個模擬傳感器或左手性（LH）的延遲線，或者天線是由一個基于微帶線的截反射器來進(jìn)行端接的，因此，負(fù)載的電抗有可能會發(fā)生變化。

這類無芯片標(biāo)簽的優(yōu)點是，它可以工作在很窄的帶寬上，且構(gòu)架簡單。缺點是，它所能探測的位數(shù)以及數(shù)據(jù)編碼是由一個集總或芯片組件來實現(xiàn)的，而這便提高了成本。

無芯片標(biāo)簽的LH延遲線負(fù)載是無芯片標(biāo)簽技術(shù)最新的開發(fā)成果之一。它采用了模擬電路來進(jìn)行相位調(diào)制，并通過使用LH延遲線的慢波效應(yīng)來提高反應(yīng)時間，這同樣也將標(biāo)簽的尺寸減到了最小程度。這種無芯片標(biāo)簽的工作原理如圖4-60所示。

圖4-60基于左手延遲線的無芯片RFID標(biāo)簽的工作原理

根據(jù)圖4-60， RFID閱讀器發(fā)射的具有頻段限制的脈沖詢問信號，無芯片標(biāo)簽的天線接收該詢問脈沖，并通過一系列級聯(lián)的LH延遲線來傳播，這些延遲線代表著周期性的不連續(xù)點。所接收到的詢問脈沖是當(dāng)其到達(dá)每個不連續(xù)點時所反射的信號，信息是通過反射信號的相位與參考相位的相對關(guān)系來進(jìn)行編碼的。含有編碼數(shù)據(jù)的反射信號的包絡(luò)保持著相似的幅度（包絡(luò)），而相位變化則是不同的，這是由于不同的Γ1，Γ2，Γ3 分別具有不同的相位，φ0，φ1，φ2。其數(shù)據(jù)編碼方式采用高階數(shù)的調(diào)制方法，如正交相移鍵控（QPSK），它能產(chǎn)生更大的信息吞吐量，但要求更高的信噪比。在無芯片標(biāo)簽中所使用的QPSK調(diào)制方法基于可變電抗性元件的，它將幅度的變化減到最小，而使相位的變化達(dá)到最大。

無論采用時域反射計（TDR）、頻譜特征還是幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯標(biāo)簽系統(tǒng)對比傳統(tǒng)超高頻RFID標(biāo)簽，都有幾個先天的缺陷：

• 數(shù)據(jù)容量太小，無法承載幾十比特甚至上K比特的存儲需求。

• 存儲數(shù)據(jù)無法更改，一旦標(biāo)簽生成，內(nèi)部包含的數(shù)據(jù)信息無法更改。而傳統(tǒng)的標(biāo)簽芯片內(nèi)部的存儲采用EEPROM或NVM實現(xiàn)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和改變。

• 功能邏輯簡單，只能實現(xiàn)ID讀取。

• 無法實現(xiàn)多標(biāo)簽場景，不具有邏輯處理能力，沒有多標(biāo)簽碰撞機(jī)制。即使現(xiàn)在已經(jīng)商用的SAW RFID標(biāo)簽也只能支持不超過10個同時識別。

• 工作距離短，由于缺乏有效的能量收集和發(fā)射機(jī)調(diào)制機(jī)制，只是通過無源器件的反射，閱讀器接收到的信號非常弱，即使發(fā)射功率增大也很難提升識別距離。

• 對閱讀器要求高，無芯系統(tǒng)中對閱讀器的要求為高速實時響應(yīng)，超寬頻帶發(fā)射和接收，且寬頻解調(diào)能力要求都非常高，閱讀器很難實現(xiàn)且成本較高。

• 系統(tǒng)穩(wěn)定性差，由于無芯系統(tǒng)采用的工作頻率多為非授權(quán)頻段，且編碼不具有校驗和糾錯能力，加上系統(tǒng)信噪比很差，誤碼率會非常高。

• 量產(chǎn)復(fù)雜，由于無芯標(biāo)簽的數(shù)據(jù)是靠其自身結(jié)構(gòu)和天線不同實現(xiàn)的，因此，每一個無芯標(biāo)簽都是彼此不同的，這對量產(chǎn)環(huán)節(jié)帶來非常大壓力，至今尚無較好的解決方案。

雖然無芯標(biāo)簽具有這么多的問題，但是依然是今后發(fā)展的一個方向，尤其是針對一些防偽、單品級管理的應(yīng)用中，仍存在許多機(jī)會。