RFID电子标签应用与技术教程 - 全文

射频识别（Radio Frequency Identification)，简称RFID，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。利用超高频RFID（UHF RFID）技术可以识别高速运动物体，并可同时识别多个标签。UHF RFID识别具有无方向性，可批量识别、寿命长、不可改写、耐污染等特点，并且可利用RFID的存储区写入重要信息。

一、RFID的频率标准

频率使用许可

射频系统的工作频率是射频识别技术系统最基本的技术参数之一。工作频率的选择在很大程度上决定了电子标签的应用范围、技术可行性以及系统成本的高低。

射频识别系统归根到底是一种无线电传播系统，它必须占据一定的空间通信信道。在空间通信信道中，射频信号智能以电磁耦合或电磁反射的形式表现出来，因此，射频识别系统的性能必然会受到电磁波空间传输特性的影响。

在人们日常生活中，电磁波无处不在，如飞机的导航、电台的广播、军事应用等。中国由国家无线电管理委员会（简称无委会）进行统一管理。因此，无线电产品的生产和使用都必须得到国家许可。

二、频率划分

由于很多领域的应用需要系统工作于一定的频率范围内，因此需要对频率进行分段。近年来，对频谱的分段已经进行了几次，其中，最常用的是电气和电子工程师协会（IEEE）建立的，规定：射频识别系统属于无线电的应用范畴，因此，其使用不能干扰到其他系统的正常工作，ISM使用的频率范围通常是局部的无线电通信频段，因此，通常情况下，无线射频使用的频段是ISM频段。

射频识别系统最主要的工作频率是0-135k,ISM频率6.78MHZ\13.56MHZ\27.125MHZ\40.68MHZ\433.92MHZ\869.0MHZ\915MHZ\2.45GHZ\5.8GHZ以及24.125GHZ。

下面我们主要介绍一下频段869MHZ和915MHZ。

目前全球超高频射频识别系统的工作频率在860-960之间，这是因为射频识别系统将应用于全世界，然而在全球找不到一个射频识别系统可以适用的共同频率，世界各国对频率方面的具体规定也各不相同。因此，频率问题对射频识别系统来讲是一个重要的问题。频率问题主要包括工作频率的范围、发射功率的大小、调频技术、信道宽度等。

频段869MHz，允许短距离使用，如邮政、会议等。频段888-889和902-928被射频识别系统广泛应用。此外，次临近的频段被D-网络电话和无绳电话占用全球的频段由国际电信联盟（ITU）进行统一的规划和分配，ITU把全球划分为3个大区，他们分别为区域1（欧洲和非洲地区）、区域2（美洲地区）、区域3（大洋洲和亚洲地区）。

超高频RFID电子标签的特性如下：
1.超高频电子标签通过电场传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义，该频段读取距离比较远，无源可达10m左右，主要通过电容耦合的方式进行能量交换和数据传输。
2.超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水、灰尘、雾等悬浮颗粒物。
3.电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，以满足相应的应用需求。
4.该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。
5.有很高的传输速率，在很短的时间内，可以读取大量的电子标签。

三、超高频RFID电子标签组成

电子标签可分为两部分，即电子标签的芯片和标签的天线。天线功能是手机阅读器发射到空间的电磁波和将芯片本身发射的能量以电磁波的方式发射出去；芯片的功能是对标签接收到的信号进行调节、解码等各种处理，并把电子标签需要返回的信号进行编码、调制等各种处理。

1、芯片

超高频电子标签芯片是电子标签的核心部分，它的作用包括标签信息存储，标签接收信号处理和标签发射信号的处理。

芯片按照功能和结构特征划分为射频、模拟前端、数字控制，存储单元三大模块，系统结构图如下：

 

 

A、射频前端
除了提供阅读器和电子标签数字模块的传输接口外，还提供数字电路的电源。

B、模拟前端
超高片电子标签模拟前端处在射频前端和后端数字电路之间，主要包括：
1. 芯片提供稳定的电压
2. 将射频输入端得到的信号进行检波，得到数字基带所需的信号。
3. 位数字基带提供上电复位信号。
4. 提供芯片的稳定偏置电流。
5. 位数字基带提供稳定的时钟信号等。

C、数字控制模块
数字控制模块由PPM译码模块、命令处理模块、CRC模块、主状态机、编码模块、防碰撞控制、映射模块、通用寄存器、专用寄存器、EEPROM接口组成，其主要功能是处理模拟借条后的数据，负责与月突起的通信，并根据需求与EEPROM通信。基于降低硬件开销和设计复杂度的考虑，数字部分的时序控制均采用状态机实现。
2、天线

天线是一种具有将导行波与自由空间波相互转功能的结构。它存在于一个由波束范围、立体弧度和立体角构成的三维世界中。无线电设计输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来，并通过馈线发送到无线电接收机。没有天线也就没有无线电通信。

在超高频电子标签中，天线面积占主导地位，即标签面积主要取决于其天线面积。然而天线的物理尺寸受到其工作频率电磁波波长的限制，在超高频下电磁波波长为30cm，相对于电子标签的应用来说，这个尺寸不是太大，因此实际电子标签天线设计的尺寸都会小于这个尺寸，一般尺寸设计到5-10cm，这种天线一般称为小天线。

一般在超高频应用频段中，最常用的是偶极子天线（又称为对称振子天线）。其中，偶极子天线由两端同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，种种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。偶极子天线也可分为4种类型，即半波偶极子天线、双线折叠偶极子天线、三线折叠偶戒子天线和双偶极子天线。如下图。

 

 

四、超高频电子标签的封装

封装的分类

从材料：
1. 纸质标签；2塑料标签；3玻璃标签
从形状：
1. 信用卡标签；2、线形标签；3、圆形标签；4、手表型标签；5其他形状

封装的加工

封装环节主要包括3个主要工艺，即天线基板制作、Inlay的制作（一次封装）和基板上的涂覆绝缘膜、冲裁（二次封装）。

1. 天线基板的制作目前主要包括两种方式，一种是传统的蚀刻工艺，另一种是通过丝网印刷工艺来实现。蚀刻工艺是将铝箔和薄膜加工成铝复合材料，再通过印刷彩色防腐蚀剂形成新的复合材料，通过蚀刻生产设备，加工成天线形状的复合材料基板。这种工艺实际上是一种天线复合材料的成型过程。如今超高频电子标签印制的过程中，导电油墨主要用于印制RFID天线，以替代传统的压箔法或腐蚀法制作金属天线。
2. Inlay的制作（一次封装）是指将带有天线的基板和芯片通过点胶的方式制作成Inlay的过程，超高频电子标签的封装环节主要体现在天线基板和芯片的互联上，最适宜的封装方式为倒贴装芯片技术（Flip Chip），它具有高性能、低成本、微型化、高可靠性的特点，为适应柔性基板材料，倒贴装的键合材料要以导电胶来实现芯片与天线焊盘的互连。
3. 基板上得涂覆绝缘膜、冲裁（二次封装）。超高频电子标签从形态上分为三大类，即传统标签类（不干胶）、注塑类和卡片类。
4. 传统的自粘不干胶电子标签用标签复合设备完成封装加工过程。标签由层面、芯片线路层、胶层、底层组成。面层可以用纸、PP、PET等多种材质制作产品的表面，应用涂布设备将冷凝胶涂覆到Inlay层上，再加上塑料材质的底纸，就形成了电路带保护的标签，再刷上胶，和离型纸结合，就形成了成卷的不干胶电子标签，再经过模切等工序，就形成了单个的不干胶电子标签；
5. 注塑类和PVC卡片与传统的制卡工艺相似，即在成卷的Inlay表面上涂光油，通过与印刷好的上下底料相结合，形成大张的成品标签卡，再通过印刷、层压、冲切等形成符合ISO7810卡片标准尺寸的标签卡，也可按照需要加工成异性等形式。

五、超高频RFID标签的技术参数

1. 标签的能量需求：标签的能量需求指的是激活标签芯片电路所需要的能量范围；
2. 标签的传输速率：标签向读写器反馈所携带的数据的传输速率以及接受来自读写器的写入数据命令的速率。
3. 标签的读写速度：被读写器识别和写入的时间决定，一般为毫秒级
4. 标签的容量：一般可达到1024Byte的数据量。
5. 标签的封装形式：取决于标签天线的形状

六、电子标签应用领域

应用领域主要包括：供应链上的管理和应用、生产线自动化的管理和应用、航空包裹的管理和应用、集装箱的管理和应用、铁路包裹的管理和应用、后勤管理的应用等。

七、超高频RFID标签的标准

1. ISO/IEC18000-6定义了超高频的物理层和通信的协议；空中接口定义了TypeA和TypeB两部分；支持可读和可写操作。
2. EPCglobal定义了电子物品编码的结构和超高频的空中接口以及通信的协议，如class0、Class1Gen1、ClassGen2.
3. UbiquitousID,日本的组织，定义了UID编码的结构和通信管理协议。