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一.反向散射耦合RFID系統(tǒng)

1.反向散射

雷達(dá)技術(shù)為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時(shí)，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收(因此發(fā)射天線也是接收天線)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大和處理，即可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。

2.RFID反向散射耦合方式

一個(gè)目標(biāo)反射電磁波的頻率由反射橫截面來(lái)確定。反射橫截面的大小與一系列的參數(shù)有關(guān)，如目標(biāo)的大小、形狀和材料，電磁波的波長(zhǎng)和極化方向等。由于目標(biāo)的反射性能通常隨頻率的升高而增強(qiáng)，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應(yīng)答器和讀寫(xiě)器的距離大于1 m。

RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖2-9所示，讀寫(xiě)器、應(yīng)答器和天線構(gòu)成一個(gè)收發(fā)通信系統(tǒng)。

1)應(yīng)答器的能量供給

無(wú)源應(yīng)答器的能量由讀寫(xiě)器提供，讀寫(xiě)器天線發(fā)射的功率P1經(jīng)自由空間衰減后到達(dá)應(yīng)答器，設(shè)到達(dá)功率為 。 中被吸收的功率經(jīng)應(yīng)答器中的整流電路后形成應(yīng)答器的工作電壓。

在UHF和SHF頻率范圍，有關(guān)電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)讀寫(xiě)器所能發(fā)射的最大功率有嚴(yán)格的限制，因此在有些應(yīng)用中，應(yīng)答器采用完全無(wú)源方式會(huì)有一定困難。為解決應(yīng)答器的供電問(wèn)題，可在應(yīng)答器上安裝附加電池。為防止電池不必要的消耗，應(yīng)答器平時(shí)處于低功耗模式，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入讀寫(xiě)器的作用范圍時(shí)，應(yīng)答器由獲得的射頻功率激活，進(jìn)入工作狀態(tài)。

2)應(yīng)答器至讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)傳輸

由讀寫(xiě)器傳到應(yīng)答器的功率 的一部分被天線反射，反射功率P2經(jīng)自由空間后返回讀寫(xiě)器，被讀寫(xiě)器天線接收。接收信號(hào)經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸?shù)阶x寫(xiě)器的接收通道，被放大后經(jīng)處理電路獲得有用信息。

應(yīng)答器天線的反射性能受連接到天線的負(fù)載變化的影響，因此，可采用相同的負(fù)載調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)反射的調(diào)制。其表現(xiàn)為反射功率P2是振幅調(diào)制信號(hào)，它包含了存儲(chǔ)在應(yīng)答器中的識(shí)別數(shù)據(jù)信息。

3)讀寫(xiě)器至應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸

讀寫(xiě)器至應(yīng)答器的命令及數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)根據(jù)RFID的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼和調(diào)制，或者按所選用應(yīng)答器的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.聲表面波應(yīng)答器

1)聲表面波器件

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件以壓電效應(yīng)和與表面彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。SAW器件體積小、重量輕、工作頻率高、相對(duì)帶寬較寬，并且可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡(jiǎn)單，重獲得性和設(shè)計(jì)靈活性高。

聲表面波器件具有廣泛的應(yīng)用，如通信設(shè)備中的濾波器。在RFID應(yīng)用中，聲表面波應(yīng)答器的工作頻率目前主要為2.45 GHz。

2)聲表面波應(yīng)答器

聲表面波應(yīng)答器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，長(zhǎng)長(zhǎng)的一條壓電晶體基片的端部有指狀電極結(jié)構(gòu)�；�片通常采用石英鈮酸鋰或鉭酸鋰等壓電材料制作，指狀電極電聲轉(zhuǎn)換器(換能器)。在壓電基片的導(dǎo)電板上附有偶極子天線，其工作頻率和讀寫(xiě)器的發(fā)送頻率一致。在應(yīng)答器的剩余長(zhǎng)度安裝了反射器，反射器的反射帶通常由鋁制成。

讀寫(xiě)器送出的射頻脈沖序列電信號(hào)，從應(yīng)答器的偶極子天線饋送至換能器。換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波。轉(zhuǎn)換的工作原理是利用壓電襯底在電場(chǎng)作用時(shí)的膨脹和收縮效應(yīng)。電場(chǎng)是由指狀電極上的電位差形成的。一個(gè)時(shí)變輸入電信號(hào)(即射頻信號(hào))引起壓電襯底振動(dòng)，并沿其表面產(chǎn)生聲波。嚴(yán)格地說(shuō)，傳輸?shù)穆暡ㄓ斜砻娌ê腕w波，但主要是表面波，這種表面波縱向通過(guò)基片。一部分表面波被每個(gè)分布在基片上的反向帶反射，而剩余部分到達(dá)基片的終端后被吸收。

一部分反向波返回?fù)Q能器，在那里被轉(zhuǎn)換成射頻脈沖序列電信號(hào)(即將聲波變換為電信號(hào))，并被偶極子天線傳送至讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器接收到的脈沖數(shù)量與基片上的反射帶數(shù)量相符，單個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔與基片上反射帶的空間間隔成比例，從而通過(guò)反射的空間布局可以表示一個(gè)二進(jìn)制的數(shù)字序列。

由于基片上的表面波傳播速度緩慢，在讀寫(xiě)器的射頻脈沖序列電信號(hào)發(fā)送后，經(jīng)過(guò)約1.5 ms的滯后時(shí)間，從應(yīng)答器返回的第一個(gè)應(yīng)答脈沖才到達(dá)。這是表面波應(yīng)答器時(shí)序方式的重要優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵谧x寫(xiě)器周?chē)�所處環(huán)境中的金屬表面上的反向信號(hào)以光速返回到讀寫(xiě)器天線(例如，與讀寫(xiě)器相距100 m處的金屬表面反射信號(hào)，在讀寫(xiě)器天線發(fā)射之后0.6 ms就能返回讀寫(xiě)器)，所以當(dāng)應(yīng)答器信號(hào)返回時(shí)，讀寫(xiě)器周?chē)�的所有金屬表面反射都已消��，不�?huì)干擾返回的應(yīng)答信號(hào)。

聲表面波應(yīng)答器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)傳輸取決于基片的尺寸和反射帶之間所能實(shí)現(xiàn)的最短間隔，實(shí)際上，16～32 bit的數(shù)據(jù)傳輸率大約為500kb/s。

聲表面波RFID系統(tǒng)的作用距離主要取決于讀寫(xiě)器所能允許的發(fā)射功率，在2.45 GHz下，作用距離可達(dá)到1～2 m。

采用偶極子天線的好處是它的輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全向性的方向圖。微帶貼片天線的方向圖是定向的，適用于通信方向變化不大的RFID系統(tǒng)，但工藝較為復(fù)雜，成本也相對(duì)較高。