第2章RFID_技术基础.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,RFID,技术基础,一,、,案例识读与分析,二,、,RFID,技术之频谱基础知识,三,、,RFID,技术基础之天线的基本知识,主要内容,四,、,实训与实践,无形的战略资源,无线电频谱资源的战略意义,一、案例识读与分析,案例分析与讨论：,无线电频谱资源,（,1,）列举我们日常生活中的无线电主要应用？,（,2,）无线电频率作为无形的战略资源，对国民经济的发展起到怎么的作用？,看懂频谱图,1,.,无线电信号的特性,在高频电路中，我们要处理的无线电信号主要有三种,:,基带（消息）信号、高频载波信号和已调信号。所谓基带信号，就是没有进行调制之前的原始信号，也称调制信号。,1,）时间特性,2,）频谱特性,3,）传播特性,4,）调制特性,二、,RFID,技术之频谱基础知识,图,2-3,无线电波的主要传播方式,（,a,）直射传播（,b,）地波传播（,c,）天波传播（,d,）散射传播,2,.,电磁波谱,波长电磁波的产生机理和应用领域常常有很大区别。因此人们常把各类电磁波按波长大小依次排成一列,称为电磁波谱。若按其波长从小到大依次排列,有,:y,射线、,X,射线、紫外线、可见光,(,紫、能、蓝、绿、黄、橙、红,),、红外线、无线电波,(,微波、超短波、短波、长波,),等。由于它们的性质各不相同,因而也有许多不同的用途。,二、,RFID,技术之频谱基础知识,图,2-4,各种通信介质使用的电磁波谱范围,3,.,电磁波的频谱的划分与分配,图,2-5,为,1959,年日内瓦会议制定的将世界划分为三个频率分区示意图。,1,区为欧洲和非洲；,2,区为北美洲和南美洲；,3,区为亚洲和澳洲，国际电信联盟的总部设在瑞士的日内瓦。,二、,RFID,技术之频谱基础知识,图,2-5 ITU,世界频率分区,4,.,RFID,工作频率的分类,射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，,是其最重要的特点之一。射频标签的工作频率不仅,决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本,。,二、,RFID,技术之频谱基础知识,1,）低频,(Low Frequency),使用的频段在,100500KHz,之间，以,125KHz,、,135KHz,最为常见,优点：,不易受干扰，当标签靠近金属或是液体的物品时，还能够发射有效发射讯号,缺点：,读取距离短、无法同时辨识多个标签，主要用于门禁系统、动物芯片、汽车防盗器,4,.,RFID,工作频率的分类,二、,RFID,技术之频谱基础知识,2,）高频,(High Frequency),使用频段在,1015MHz,之间，以,13.56MHz,最为常见,优点：,感应距离较长、读取速度较快，而且可以同时间辨识多个标签，主要应用于图书馆管理、产品管理、智能卡等。,缺点：,易受干扰，当标签靠近金属或是液体的物品时，还能够发射有效发射讯号。,4,.,RFID,工作频率的分类,二、,RFID,技术之频谱基础知识,3,）超高频,(Ultra High Frequency),使用频段在,433950MHz,之间，以,433MHz,、,868950MHz,最为常见,优点：,读取距离较远、传输速率较快、可同时读取辨识大量卷标、天线可用蚀刻或印刷方式制造。,缺点：,在金属和液体的物品上读取率不佳，主要用于铁路车厢监控、仓存管理。,4,.,RFID,工作频率的分类,二、,RFID,技术之频谱基础知识,4,）微波,(Microwave),使用频段在,1GHz,以上，其中以,2.45GHz,及,5.8GHz,最为常见,特性与超高频类似，对于环境的敏感性较高；,主要用于行李追踪、物品管理、供应链管理等,微波射频标签的典型应用包括,：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等,。相关的国际标准有：,ISO10374,，,ISO18000-4,（,2.45GHz,）、,ISO18000-5,（,5.8GHz,）、,ISO18000-6,（,860-930MHz,）、,ISO18000-7,（,433.92MHz,），,ANSI NCITS256-1999,等。,卷标比较表,-,使用频率,低频,(LF),高频,(HF),超高频,(UHF),微波,(Microwave),频率,100500KHz,1015MHz,433950MHz,1GHz,以上,常见频段,125KHz,135KHz,13.56MHz,433MHz,868950MHz,2.45GHz,5.8GHz,系统型态,被动式,被动,/,主动式,被动,/,主动式,被动,/,主动式,全球接受频率,是,是,部分,部分,通讯距离,50cm,以内,1.5M,以内,310m,310m,传输功率,72dBA/m,42dBA/m,10mW4W,4W,成熟度,成熟,成熟,新技术,开发中,读取方式,电磁感应,电磁感应,微波共振,微波共振,23,二、,RFID,技术之频谱基础知识,卷标比较表,-,使用频率（续）,低频,(LF),高频,(HF),超高频,(UHF),微波,(Microwave),价格,低,中,高,高,环境影响,X,金属,潮湿,潮湿,数据传输率,低,高,较高,最高,内存,(Bytes),641K,256512K,64512,1664,ISO,对应标准,ISO18000-2,Two Type,被动式,ISO18000-3,Two Mode,被动式,ISO18000-6,Two Type,被动,/,半主动式,ISO18000-4,Two Mode,被动式,/,半主动式,应用,门禁系统,动物识别,存货控制,芯片防盗锁,智慧卡,图书馆管理,商品管理,铁路车厢监控,仓存管理,道路收费系统,24,二、,RFID,技术之频谱基础知识,射频识别系统工作频段,二、,RFID,技术之频谱基础知识,二、,RFID,技术之频谱基础知识,射频识别系统工作频段如表,2-1,所示。并非表,2-1,中的所有频率在射频识别中都得到了广泛应用，主要采用的,RFID,频率为有以下四个：,13.56007MHz,，,91513MHz,，,245050MHz,，,580075MHz,。,二、,RFID,技术之频谱基础知识,5.,国际,RFID,技术特点及相关管理规则,从应用的趋势来看，现代物流业、商品零售业会广泛应用,RFID,技术，为什么,UHF,频段的,RFID,技术会成为全球热点,?,主要有以下几个需考虑的因素,(,见表,2-2,所示,),。,二、,RFID,技术之频谱基础知识,6.,国际,RFID,技术特点及相关管理规则,基于,RFID,的技术特点和潜在的应用空间，国际相关无线电管理机构已经开始进行频率规划工作，并制定了相应的管理政策，具体情况如表,2-3,所示。,无线电波频谱,10 kHz,100 kHz,1 MHz,10 MHz,100 MHz,1000 MHz,300 GHz,Low Freq.EAS,Mid.Freq.,EAS,Cell Phone,RFID:,Item,Management,Data,Modem,AM,Radio,Toys,Garage,Door,CB,FM,RFID:,Access Control,Animal ID,RFID:,Toll Roads,&Item,Management,Microwave,EAS,TV,Data,Terminal,RFID:,Smart Cards,2.45 GHz,125K,LF,低频,13.56 MHz,HF,高频,915-928 MHz,UHF,超高频,2.45 GHz,微波,EAS(Electronic article surveillance),二、,RFID,技术之频谱基础知识,7.,我国,860,960MHz,频段频率规划和指配情况,我国的无线电管理机构正积极开展,RFID,的频率规划和指配工作，并启动了相关技术研究工作。我国所从事的频率规划工作的指导原则应是：,(1),必须确保现有业务的正常运行，,在专用频段、公众移动通信、集群通信频段不能安排此项业务；,(2),在电磁兼容分析和实验的基础上制订出,RFID,工作频带、发射功率、带外发射、杂散发射等指标，必要时要制订配套的相关台站管理规定,；,(3),制订设备的无线技术指标时，要考虑满足,RFID,业务在中国的大规模有效使用的频带、信道带宽、带外杂散、发射功率的相关要求。表,2-4,是我国在,860,960MHz,频段的频率规划和指配情况。,MHz,FCC,开放,RFID,频段,中华电信,up link,中华电信,down link,RFID,915,928,922,910,895,940,955,960,902,远传,down,远传,up,891.4,937,892,增频,增频,国内,RFID,频段,RFID(UHF BAND),与,GSM 900,邻频干扰,二、,RFID,技术之频谱基础知识,8.,我国无线电频率划分图,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,1.RFID,天线概述,电子标签和读写器通过各自的,天线构建起二者之间非接触信息传输通道,，如图,2-7,所示。无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线或藕合线圈：一方面，无源的射频标签芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；一方面，天线决定了射频标签与读写器之间的通讯信道和通讯方式，,天线在射频标签与读写器实现数据通讯过程中起到了关键的作用！,图,2-7 RFID,读写器、标签天线,1.RFID,天线概述,（,1,）,天线的作用与地位,无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）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，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，,没有天线也就没有无线电通信。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,按用途分类，,可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；,按工作频段分类，,可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；,按方向性分类，,可分为全向天线、定向天线等；,按外形分类，,可分为线状天线、面状天线等；,（,2,）,天线的分类,（,1,）电磁波的辐射,导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图,1.1 a,所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图,1.1 b,所示，电场就散播在周围空间因而辐射增强。,必须指出，当导线的长度,L,远小于波长,时，辐射很微弱；导线的长度,L,增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。,图,1.1 a,图,1.1 b,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,（,2,）对称振子,对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。,两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子,见 图,1.2 a,。,另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子,见 图,1.2 b,。,1/4,波长,对称振子,1/4,波长,1/2,波长,图,1.2 a,图,1.2 b,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,（,3,）天线方向性的讨论,型 发射,天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。,垂直放置的半波对称振子具有平放的,“,面包圈,”,形的立体方向图（图1.3.1,a）。,立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图,1.3.1 b,与图,1.3.1 c,给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图,1.3.1 b,可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图,1.3.1 c,可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。,图,1.3.1 c,水平面方向图,图,1.3.1 b,垂直面方向图,图1.3.1,a,立体方向图,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,（,3,）天线方向性增强,若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生,“,扁平的面包圈,”,，,把信号进一步集中到在水平面方向上。,下图是,4,个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的,立体方向图和垂直面,方向图。,垂直面方向图,立体方向图,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,也可以,利用反射板可把辐射能控制到单侧方向,平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的,水平面方向图说明了,反射,面,的作用,-,反射面把功率反射到,单侧方向，,提高了增益。,全向阵,（垂直阵列 不带平面反射板）,抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面 和 放置在抛物面焦点上的辐射源。,扇形区覆盖,（垂直阵列 带平面反射板）,平面反射板,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,（,4,）增益,增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义,-,为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要,100W,的输入功率，而用增益为,G=13 dB=20,的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需,100/20=5W.,换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。,半波对称振子的,增益为,G=2.15 dBi;,4,个半波对称振子 沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其,增益约为,G=8.15 dBi (dBi,这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源,),。,如果,以,半波对称振子作,比较对象，则增益的单位是,dBd.,半波对称振子的,增益为,G=0 dBd,（因为是自己跟自己比，比值为,1,，取对数得零值。）；,垂直四元阵，其,增益约为,G=8.15,2.15=6 dBd.,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,垂直极化,（,4,）,天线的极化,天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：,电场的方向就是天线极化方向,。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化,-,是最常用的；水平极化,-,也是要被用到的。,水平极化,E,E,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,垂直极化,双极化天线,下图示出了另两种单极化的情况：,+45,极化 与,-45,极化，它们仅仅在特殊场合下使用。,这样，共有四种单极化了，见下图。把垂直极化和水平极化两种极化的天线组合在一起，或者，,把,+45,极化和,-45,极化两种极化的天线组合在一起，就构成了一种新的天线,-,双极化天线。,水平极化,+45,极化,-45,极化,E,E,E,E,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,下图示出了两个单极化天线安装在一起组成一付双极化天线，注意，双极化天线有两个接头。,双极化天线辐射（或接收）两个,极化在空间相互正交（垂直）的,波。,V/H,（垂直,/,水平）型 双 极 化,+45,/-45,型 双 极 化,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,极化损失,垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。,当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用,+45,极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收,+45,极化或,-45,极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失,-,只能接收到来波的一半能量。,当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下,极化损失为最大，称极化完全隔离。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,（,6,）天线的工作频率范围（频带宽度）,无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围,（频带宽度）,内工作的，天线的,频带宽度,有两种不同的定义,-,一种是指：在驻波比,SWR 1.5,条件下，天线的工作频带宽度；,一种是指：天线增益下降,3,分贝范围内的频带宽度。,在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的,频带宽度,就是天线的驻波比,SWR,不超过,1.5,时，天线的工作频率范围。,一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,2.RFID,天线基础知识,7,）反射损耗,前面已指出，当馈线和天线匹配时，馈线上没有反射波，只有入射波，即馈线上传输的只是向天线方向行进的波。这时，馈线上各处的电压幅度与电流幅度都相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。,而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，而不能全部吸收，未被吸收的那部分能量将反射回去形成反射波。,传输线,50,ohms,天线,75,ohms,朝前,10W,返回,0.4W,这里的反射损耗为,10,Lg,(10/0.4)=14dB,辐射,9.6,W,例如，在右图中，由于天线与馈线的阻抗不同，一个为,75,ohms，,一个为,50,ohms,，阻抗,不匹配,，其结果是,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,板状天线,前面已指出，四个半波振子排成一个垂直放置的直线阵的增益约为,8 dB,；一侧加有一个反射板的四元式直线阵，即常规板状天线，其增益约为,14 17 dB,。,一侧加有一个反射板的八元式直线阵，即加长型板状天线，其增益约为,16 19 dB.,不言而喻，加长型板状天线的长度，为常规板状天线的一倍，达,2.4 m,左右。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,3.,常见,RFID,天线,高增益栅状抛物面天线,从性能价格比出发，人们常常选用,栅状抛物面天线,作为,直放站施主天线。由于,抛物面,具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力强，,直径为,1.5 m,的,栅状抛物面天线，,在,900,兆频段，,其增益即可达,G=20 dB .,它特别适用于点对点的通信，例如它常常被选用为直放站的施主天线。,抛物面采用栅状结构，一是为了减轻天线的重量，二是为了减少风的阻力。,抛物面天线一般都能给出,不低于,30 dB,的前后比,，这也正是,直放站系统防自激而对接收天线,所提出的必须满足的技术指标。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,3.,常见,RFID,天线,八木定向天线,八木定向天线，,具有,增益较高、,结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。,因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型。,八木定向天线的单元数越多，其增益越高，,通常采用,6 12,单元的八木定向天线，,其增益可达,1015 dB,。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,3.,常见,RFID,天线,1.7.4,室内吸顶天线,室内吸顶天线必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。,现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在很宽的频带内工作的天线其驻波比指标为,VSWR 2,。当然，能达到,VSWR 1.5,更好。顺便指出，,室内吸顶天线属于低增益天线,一般为,G =2 dB,。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,3.,常见,RFID,天线,室内壁挂天线,室内壁挂天线同样必须具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点。,现今市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的购造几乎也都是一样的。这种壁挂天线的内部结构，属于空气介质型微带天线。由于采用了展宽天线频宽的辅助结构，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能较好地满足了工作宽频带的要求。顺便指出，室内壁挂天线具有一定的增益，约为,G=7 dB,。,三、,RFID,技术基础之天线的基本知识,3.,常见,RFID,天线,Q&A,参考资料,:,