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反向散射耦合RFID系统的原理及特点,带你更深入的了解
时间:2018-04-26作者:华清远见

一.反向散射耦合RFID系统

1.反向散射

雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标时,其能量的一部分被目标吸收,另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中,一小部分反射回发射天线,并被天线接收(因此发射天线也是接收天线),对接收信号进行放大和处理,即可获得目标的有关信息。

2.RFID反向散射耦合方式

一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关,如目标的大小、形状和材料,电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强,所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频,应答器和读写器的距离大于1 m。

RFID反向散射耦合方式的原理框图如图2-9所示,读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。

1)应答器的能量供给

无源应答器的能量由读写器提供,读写器天线发射的功率P1经自由空间衰减后到达应答器,设到达功率为 。 中被吸收的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。

在UHF和SHF频率范围,有关电磁兼容的国际标准对读写器所能发射的最大功率有严格的限制,因此在有些应用中,应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应答器的供电问题,可在应答器上安装附加电池。为防止电池不必要的消耗,应答器平时处于低功耗模式,当应答器进入读写器的作用范围时,应答器由获得的射频功率激活,进入工作状态。

2)应答器至读写器的数据传输

由读写器传到应答器的功率 的一部分被天线反射,反射功率P2经自由空间后返回读写器,被读写器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输到读写器的接收通道,被放大后经处理电路获得有用信息。

应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化的影响,因此,可采用相同的负载调制方法实现反射的调制。其表现为反射功率P2是振幅调制信号,它包含了存储在应答器中的识别数据信息。

3)读写器至应答器的数据传输

读写器至应答器的命令及数据传输,应根据RFID的有关标准进行编码和调制,或者按所选用应答器的要求进行设计。

3.声表面波应答器

1)声表面波器件

声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。SAW器件体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较宽,并且可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺,制造简单,重获得性和设计灵活性高。

声表面波器件具有广泛的应用,如通信设备中的滤波器。在RFID应用中,声表面波应答器的工作频率目前主要为2.45 GHz。

2)声表面波应答器

声表面波应答器的基本结构如图2-10所示,长长的一条压电晶体基片的端部有指状电极结构。基片通常采用石英铌酸锂或钽酸锂等压电材料制作,指状电极电声转换器(换能器)。在压电基片的导电板上附有偶极子天线,其工作频率和读写器的发送频率一致。在应答器的剩余长度安装了反射器,反射器的反射带通常由铝制成。

读写器送出的射频脉冲序列电信号,从应答器的偶极子天线馈送至换能器。换能器将电信号转换为声波。转换的工作原理是利用压电衬底在电场作用时的膨胀和收缩效应。电场是由指状电极上的电位差形成的。一个时变输入电信号(即射频信号)引起压电衬底振动,并沿其表面产生声波。严格地说,传输的声波有表面波和体波,但主要是表面波,这种表面波纵向通过基片。一部分表面波被每个分布在基片上的反向带反射,而剩余部分到达基片的终端后被吸收。

一部分反向波返回换能器,在那里被转换成射频脉冲序列电信号(即将声波变换为电信号),并被偶极子天线传送至读写器。读写器接收到的脉冲数量与基片上的反射带数量相符,单个脉冲之间的时间间隔与基片上反射带的空间间隔成比例,从而通过反射的空间布局可以表示一个二进制的数字序列。

由于基片上的表面波传播速度缓慢,在读写器的射频脉冲序列电信号发送后,经过约1.5 ms的滞后时间,从应答器返回的第一个应答脉冲才到达。这是表面波应答器时序方式的重要优点。因为在读写器周围所处环境中的金属表面上的反向信号以光速返回到读写器天线(例如,与读写器相距100 m处的金属表面反射信号,在读写器天线发射之后0.6 ms就能返回读写器),所以当应答器信号返回时,读写器周围的所有金属表面反射都已消失,不会干扰返回的应答信号。

声表面波应答器的数据存储能力和数据传输取决于基片的尺寸和反射带之间所能实现的最短间隔,实际上,16~32 bit的数据传输率大约为500kb/s。

声表面波RFID系统的作用距离主要取决于读写器所能允许的发射功率,在2.45 GHz下,作用距离可达到1~2 m。

采用偶极子天线的好处是它的辐射能力强,制造工艺简单,成本低,而且能够实现全向性的方向图。微带贴片天线的方向图是定向的,适用于通信方向变化不大的RFID系统,但工艺较为复杂,成本也相对较高。


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