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，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(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。

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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標簽，這意味著市場正在尋找更低成本的標簽解決方案。迄今為止，市面上僅有的無芯片RFID標簽是表面聲波（SAW）標簽。

今天，一個不斷增長的趨勢是用超高頻RFID標簽來代替條形碼。超高頻RFID系統(tǒng)仍然沒能取代條形碼的唯一原因是標簽的價格。與條形碼相比，目前存在的超高頻RFID標簽的成本仍然高出很多，其主要成本來自于鑲嵌在標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標簽的開發(fā)工作。然而，大多數(shù)標簽仍然是作為試驗樣品來進行報道的，并且從商業(yè)角度上講，只有少量的結(jié)果被認為是可行的。在設(shè)計無芯片RFID標簽時，研究者們所面臨的挑戰(zhàn)是，如何在沒有芯片的情況下進行數(shù)據(jù)編碼和存儲。根據(jù)這個問題，可以將無芯RFID標簽劃分為如圖4-51所示的三種基本類型。

根據(jù)公開文獻，有可能將無芯片RFID 標簽劃分為三個主要類型：

基于時域反射計（TDR）的無芯片標簽；

基于頻譜特征的無芯片標簽；

基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯片標簽。

圖4-51無芯RFID標簽分類

01、基于時域反射計的無芯片標簽

基于TDR的無芯片標簽的詢問過程：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)進行編碼。與含有芯片的標簽相比，這種標簽的優(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。這種標簽的缺點在于：標簽編碼的位數(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)來進行數(shù)據(jù)編碼的一些RFID 標簽，可以將其分為不可印刷式和可印刷式TDR標簽兩種。

（1）不可印刷式TDR無芯標簽

其中，不可印刷式TDR無芯片RFID標簽的一個典型例子是由RF SAW公司開發(fā)的SAW標簽。SAW標簽是由閱讀器所發(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）標簽的電路架構(gòu)。

圖4-52聲表面波（SAW）標簽的電路架構(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行探測，此時，標簽的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無芯標簽

可印刷式TDR無芯片標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簽來實現(xiàn)。TFTC標簽是在低成本的塑料薄膜上高速印刷的。TFTC標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簽更優(yōu)越的性能。它們比其它無芯片標簽需要更高的功率，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標簽的低成本制造工藝。有機TFTC可以提供一個具有成本效益的解決方案。正在進行有機TFTC 開發(fā)的一個研究所是日本國家先進工業(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TFTC標簽。

圖4-53柔軟的塑料薄膜上印刷的有機TFTC標簽

在柔軟的塑料薄膜上印刷的有機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簽

標簽是由一個短脈沖（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。這種類型的標簽是采用微帶線技術(shù)來再現(xiàn)SAW標簽，微帶線技術(shù)使其成為可印刷式標簽。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簽

基于頻譜特征的無芯片標簽采用諧振結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)編碼進入頻譜中。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)。這些標簽的優(yōu)點是，完全可印刷、牢靠、比其它無芯片標簽具有更大的數(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簽。可以根據(jù)標簽的性質(zhì)，可分為化學(xué)類標簽和平面電路類標簽。

（1）化學(xué)類無芯片標簽

化學(xué)類標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)計無芯片標簽。這些標簽是由很小的化學(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）無芯片標簽也是化學(xué)類無芯片標簽的另一種典型代表。這種標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）與該標簽進行通信。讀取距離據(jù)宣稱可以達到1.2m。

（2）平面電路無芯片標簽

平面電路無芯片RFID標簽是采用標準平面微帶線/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。可以進行容性調(diào)諧的偶極子天線標簽示如圖4-56。當標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?。?。每個偶極子與數(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比特無芯片RFID標簽

被用于頻譜特征圖形編碼RFID標簽的空間填充曲線最早是由McVay報道的。標簽被設(shè)計為Piano和Hilbert曲線，諧振中心頻率大約為900MHz。標簽代表的是一個可以進行頻率選擇的表面，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，其波長遠遠大于它的尺寸。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)小尺寸標簽。圖4-57所示的一個5比特空間填充曲線無芯片標簽，這個標簽是由5個二階Piano曲線陣列組成的，它可以在標簽的雷達截面上（RCS）產(chǎn)生5個峰值。

圖4-57基于Piano曲線的5比特標簽和標簽雷達截面的頻譜特征

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

LC諧振無芯片標簽包含一個簡單的線圈，它會在一個特定頻率處進行諧振。這些標簽被看作是1比特RFID標簽。其工作原理是基于閱讀器和LC諧振標簽之間的磁耦合。閱讀器不斷地進行著掃頻來尋找標簽。一旦掃描的頻率與標簽的諧振頻率相一致，標簽便開始振蕩，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）、工作帶寬窄和多標簽之間有相互沖突的問題。這些標簽主要用于超市和零售商店的電子物品防盜標簽（EAS）。

基于多諧振體的無芯片RFID標簽由在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標簽的方框圖示于圖4-58。

圖4-58多諧振體無芯片RFID 標簽的電路方框圖

基于多諧振體的無芯片RFID標簽包含了一個垂直極化的UWB圓片加載的單極接收標簽天線，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)射標簽天線。閱讀器發(fā)出一個掃頻連續(xù)波信號來進行詢問，當詢問信號到達標簽時，使用Rx單極天線接收并且向多諧振電路進行傳播。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，信息便包含了標簽的一個獨特的頻譜特征，隨后通過使用Tx單極標簽天線而被發(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比特的標簽。

圖4-5935比特無芯片RFID 標簽的照片（長度=88mm，寬度=65mm）

基于多諧振器的標簽和前面所介紹標簽的主要區(qū)別在于，這種標簽對數(shù)據(jù)在幅度和相位上均要進行編碼，標簽工作在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行的。

03、基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯片標簽

基于幅度/相位反向散射調(diào)制的無芯片標簽比基于TDR和基于頻譜特征標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簽天線的負載來改變反向散射信號的幅度或相位而實現(xiàn)的。負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），它是由標簽天線的電抗性負載來進行控制的。天線負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閱讀器來進行探測。由于天線負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行端接的，因此，負載的電抗有可能會發(fā)生變化。

這類無芯片標簽的優(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。

無芯片標簽的LH延遲線負載是無芯片標簽技術(shù)最新的開發(fā)成果之一。它采用了模擬電路來進行相位調(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，這同樣也將標簽的尺寸減到了最小程度。這種無芯片標簽的工作原理如圖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其到達每個不連續(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)制的無芯標簽系統(tǒng)對比傳統(tǒng)超高頻RFID標簽，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)多標簽場景，不具有邏輯處理能力，沒有多標簽碰撞機制。即使現(xiàn)在已經(jīng)商用的SAW RFID標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)射機調(diào)制機制，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，仍存在許多機會。