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RFID干货专栏|24 无芯超高频RFID技术

来源: 发布时间:2022-03-08 4199 次浏览

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展,超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一,每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中,中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国,在对物联网发展的大力支持下,行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而,至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

为了填补这方面的空缺,甘泉老师花费数年之功,撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布,本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述,干货满满!RFID世界网得到了甘泉老师授权,在RFID世界网公众号特设专栏,陆续发布本书内容。

4.3.7无芯超高频RFID技术

整个超高频RFID系统的成本主要取决于标签的成本,因此,许多企业和学者努力开发无芯片RFID标签,这意味着市场正在寻找更低成本的标签解决方案。迄今为止,市面上仅有的无芯片RFID标签是表面声波(SAW)标签。

今天,一个不断增长的趋势是用超高频RFID标签来代替条形码。超高频RFID系统仍然没能取代条形码的原因是标签的价格。与条形码相比,目前存在的超高频RFID标签的成本仍然高出很多,其主要成本来自于镶嵌在标签中作为信息承载和处理器件的芯片以及封装的成本,这两部分占Inlay成本超过80%。正是由于RFID与条码的成本相差悬殊,因此RFID标签的使用率连条码的0.1%都不到。因此,无芯RFID技术的探索提上日程,即使这个技术仍然处于萌芽状态,但在工业界中已经有了很大的发展。

近些年来,市场上已经报道了一些无芯片RFID标签的开发工作。然而,大多数标签仍然是作为试验样品来进行报道的,并且从商业角度上讲,只有少量的结果被认为是可行的。在设计无芯片RFID标签时,研究者们所面临的挑战是,如何在没有芯片的情况下进行数据编码和存储。根据这个问题,可以将无芯RFID标签划分为如图4-51所示的三种基本类型。

根据公开文献,有可能将无芯片RFID 标签划分为三个主要类型:

基于时域反射计(TDR)的无芯片标签;

基于频谱特征的无芯片标签;

基于幅度/相位反向散射调制的无芯片标签。

 

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图4-51无芯RFID标签分类

01、基于时域反射计的无芯片标签

基于TDR的无芯片标签的询问过程:阅读器发出一个脉冲形式的信号,然后接收由标签发出的脉冲回波。因而,会生成一串脉冲,这个脉冲可以被用来对数据进行编码。与含有芯片的标签相比,这种标签的优点是低成本,更大的带宽范围,以及能够用于定位应用的能力。这种标签的缺点在于:标签编码的位数少;能够产生且探测超宽带(UWB)脉冲所要求的高速阅读器实现较难。市场上已经报道了采用TDR技术来进行数据编码的一些RFID 标签,可以将其分为不可印刷式和可印刷式TDR标签两种。

(1)不可印刷式TDR无芯标签

其中,不可印刷式TDR无芯片RFID标签的一个典型例子是由RF SAW公司开发的SAW标签。SAW标签是由阅读器所发出的中心频率为2.45GHz的线性啁啾高斯脉冲(chirped Gaussian pulse)来激励的,如图4-52所示为一款声表面波(SAW)标签的电路架构。

 

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图4-52声表面波(SAW)标签的电路架构

询问脉冲通过使用一个叉指转换器(IDT)来转换为表面声波。声波穿过压电晶体,并且由多个反射体进行反射,这便生成了一串具有相位偏移的脉冲。这个脉冲串又通过使用IDT而被转换变回EM波,并且在阅读器这一端进行探测,此时,标签的ID便可以通过解码而得到。实际上这仅有的一款量产的无芯SAW RFID产品由于成本和结构的影响,只用于无线测温的应用中(8.5.2节介绍了该产品于其它无线测温的技术对比),通过温度对声表面波器件的频率影响从而实现对ID号码和当前温度的采集。然而,这个产品的市场受到了无源测温RFID芯片(见4.6.2节)的冲击,市场份额也在逐渐萎缩。

(2)可印刷式TDR无芯标签

可印刷式TDR无芯片标签可以用薄膜晶体管电路(TFTC)或具有不连续性的基于微带线的标签来实现。TFTC标签是在低成本的塑料薄膜上高速印刷的。TFTC标签由于其较小的尺寸和较低的功耗而具有比有源和无源含芯片标签更优越的性能。它们比其它无芯片标签需要更高的功率,但也具有更多的功能。然而,人们现在还没有开发出用于TFTC标签的低成本制造工艺。有机TFTC可以提供一个具有成本效益的解决方案。正在进行有机TFTC 开发的一个研究所是日本先进工业科学和技术研究院(AIST)。如图4-53所示,为在柔软的塑料薄膜上印刷的有机TFTC标签。

 

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图4-53柔软的塑料薄膜上印刷的有机TFTC标签

在柔软的塑料薄膜上印刷的有机薄膜晶体管电路存在另一个问题:较低的电子迁移率,这便将工作频率限制在几兆赫兹这个水平上。基于延迟线的无芯片标签是通过在一段延迟线后使用一个微带线的不连续性来工作的。一个基于延迟线的无芯片标签如图4-54所示,其中含有贴片天线和延迟线。

 

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图4-54基于延迟线的无芯片标签

标签是由一个短脉冲(一般为1ns)EM信号来激励的。询问脉冲由标签来接收,并且在沿着微带线的不同点处产生反射,生成了询问脉冲的多个回波,如图4-55所示。

 

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图4-55基于延迟线的无芯片标签的询问和编码

回波之间的时延是由不连续点之间延迟线的长度来决定的。这种类型的标签是采用微带线技术来再现SAW标签,微带线技术使其成为可印刷式标签。虽然人们已经报道了这种无芯片技术最初的试验,但只能成功地进行4 比特数据的编码,突显出这种技术的局限性。

02、基于频谱特征的无芯片标签

基于频谱特征的无芯片标签采用谐振结构将数据编码进入频谱中。每个数据比特通常与频谱的预设频率点上谐振峰值的出现与否相关。这些标签的优点是,完全可印刷、牢靠、比其它无芯片标签具有更大的数据存储能力,且成本低。其缺点是用于数据编码所要求的频谱宽,无芯片标签对方向性、尺寸、和宽带以及专用阅读器中的射频部件都有一定的要求。到目前为止,市场上已经报道了多种基于频谱特征的可印刷式标签。可以根据标签的性质,可分为化学类标签和平面电路类标签。

(1)化学类无芯片标签

化学类标签是通过喷镀谐振纤维或特殊的电子墨水来实现的。以色利有两家公司利用纳米材料来设计无芯片标签。这些标签是由很小的化学粒子组成的,这些化学粒子展示出不同程度的磁性,当受到电磁波撞击时,它们便会在不同的频率上产生谐振,阅读器便可以探测到这些谐振频率。。这类标签因其轻薄、便宜的特点,特别适用于纸张、重要文件等物品的防伪和鉴定等应用。

油墨刺纹(inktattoo)无芯片标签也是化学类无芯片标签的另一种典型代表。这种标签采用的方法为嵌入或表面打印电子油墨天线刺纹。阅读器通过一个高频微波信号(> 10GHz)与该标签进行通信。读取距离据宣称可以达到1.2m。

(2)平面电路无芯片标签

平面电路无芯片RFID标签是采用标准平面微带线/共面波导/带状线谐振结构,如天线,滤波器以及分形结构来进设计的。这些结构可以印刷在厚、薄及柔软度不同层压板和聚合物基片上的。无芯片标签由若干个偶极子天线组成,这些天线在不同频率处产生谐振。可以进行容性调谐的偶极子天线标签示如图4-56。当标签由一个扫频信号来询问时,阅读器会寻找因偶极子而在频谱中所产生的幅度骤降(谐振吸收,反射减小)。每个偶极子与数据比特位具有一一对应的关系。这种技术所涉及的问题包括标签尺寸(较低频率对应着较长的偶极子,与半波长相关)以及偶极子单元之间的互耦效应(mutual coupling)。

 

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图4-56容性调谐的偶极子被用作一个11比特无芯片RFID标签

被用于频谱特征图形编码RFID标签的空间填充曲线最早是由McVay报道的。标签被设计为Piano和Hilbert曲线,谐振中心频率大约为900MHz。标签代表的是一个可以进行频率选择的表面,这个表面是通过使用空间填充曲线来操纵的(如Hilbert曲线和Piano曲线)。空间填充曲线显示出在频率点上谐振的一个特性,其波长远远大于它的尺寸。利用这个优势,可以实现在超高频频率范围内开发小尺寸标签。图4-57所示的一个5比特空间填充曲线无芯片标签,这个标签是由5个二阶Piano曲线阵列组成的,它可以在标签的雷达截面上(RCS)产生5个峰值。

 

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图4-57基于Piano曲线的5比特标签和标签雷达截面的频谱特征

这类标签的优点是尺寸较小,这是由空间填充曲线而产生的。然而,标签的缺点是,为了对数据进行编码,要求对版图进行很大的修改。

LC谐振无芯片标签包含一个简单的线圈,它会在一个特定频率处进行谐振。这些标签被看作是1比特RFID标签。其工作原理是基于阅读器和LC谐振标签之间的磁耦合。阅读器不断地进行着扫频来寻找标签。一旦扫描的频率与标签的谐振频率相一致,标签便开始振荡,从而在阅读器的天线端口产生一个电压骤降。这种标签的优点是价格低、结构简单(单个谐振线圈)。但工作范围小、信息存储小(1比特)、工作带宽窄和多标签之间有相互冲突的问题。这些标签主要用于超市和零售商店的电子物品防盗标签(EAS)。

基于多谐振体的无芯片RFID标签由在Monash大学工作的作者设计并申请了专利。无芯片标签包含了三个主要部件:发射(Tx)和接收(Rx)天线及多谐振电路。一个含有基本部件的集成化无芯片RFID标签的方框图示于图4-58。

 

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图4-58多谐振体无芯片RFID 标签的电路方框图

基于多谐振体的无芯片RFID标签包含了一个垂直极化的UWB圆片加载的单极接收标签天线,一个多谐振电路和一个水平极化的UWB圆片加载的单极发射标签天线。阅读器发出一个扫频连续波信号来进行询问,当询问信号到达标签时,使用Rx单极天线接收并且向多谐振电路进行传播。多谐振电路采用级联的螺旋线谐振器来对数据位进行编码,这便会在频谱中特定的频率上引入衰减和相位的跳跃。在通过了多谐振电路之后,信息便包含了标签的一个独特的频谱特征,随后通过使用Tx单极标签天线而被发回到阅读器。为了将询问信号与之后发射的包含有频谱特征的编码信号之间的干扰减到最小程度,Rx和Tx标签天线交叉极化。图4-59展示了一个在TaconicTLX-0上(εr=2.45,h=0.787mm,tanδ=0.0019)设计的一个35比特的标签。

 

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图4-5935比特无芯片RFID 标签的照片(长度=88mm,宽度=65mm)

基于多谐振器的标签和前面所介绍标签的主要区别在于,这种标签对数据在幅度和相位上均要进行编码,标签工作在UWB的范围,它可以支持简单的螺线管,从而缩短了数据编码,并且标签响应并不是在RCS反向散射的基础上形成的,而是通过将含有编码的的频谱ID的交叉极化询问信号再次传输来进行的。

03、基于幅度/相位反向散射调制的无芯片标签

基于幅度/相位反向散射调制的无芯片标签比基于TDR和基于频谱特征标签的操作所要求的带宽要小。数据编码是通过改变基于无芯片标签天线的负载来改变反向散射信号的幅度或相位而实现的。负载的改变不通过处于两个阻抗之间的接通/关闭开关来控制(芯片实现方式),它是由标签天线的电抗性负载来进行控制的。天线负载会在幅度或相位上对天线的RCS产生影响,而这个影响可以由一个专用的RFID阅读器来进行探测。由于天线负载是一个模拟传感器或左手性(LH)的延迟线,或者天线是由一个基于微带线的截反射器来进行端接的,因此,负载的电抗有可能会发生变化。

这类无芯片标签的优点是,它可以工作在很窄的带宽上,且构架简单。缺点是,它所能探测的位数以及数据编码是由一个集总或芯片组件来实现的,而这便提高了成本。

无芯片标签的LH延迟线负载是无芯片标签技术最新的开发成果之一。它采用了模拟电路来进行相位调制,并通过使用LH延迟线的慢波效应来提高反应时间,这同样也将标签的尺寸减到了最小程度。这种无芯片标签的工作原理如图4-60所示。

 

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图4-60基于左手延迟线的无芯片RFID标签的工作原理

根据图4-60, RFID阅读器发射的具有频段限制的脉冲询问信号,无芯片标签的天线接收该询问脉冲,并通过一系列级联的LH延迟线来传播,这些延迟线代表着周期性的不连续点。所接收到的询问脉冲是当其到达每个不连续点时所反射的信号,信息是通过反射信号的相位与参考相位的相对关系来进行编码的。含有编码数据的反射信号的包络保持着相似的幅度(包络),而相位变化则是不同的,这是由于不同的Γ1,Γ2,Γ3 分别具有不同的相位,φ0,φ1,φ2。其数据编码方式采用高阶数的调制方法,如正交相移键控(QPSK),它能产生更大的信息吞吐量,但要求更高的信噪比。在无芯片标签中所使用的QPSK调制方法基于可变电抗性元件的,它将幅度的变化减到最小,而使相位的变化达到更大。

无论采用时域反射计(TDR)、频谱特征还是幅度/相位反向散射调制的无芯标签系统对比传统超高频RFID标签,都有几个先天的缺陷:

  • 数据容量太小,无法承载几十比特甚至上K比特的存储需求。

  • 存储数据无法更改,一旦标签生成,内部包含的数据信息无法更改。而传统的标签芯片内部的存储采用EEPROM或NVM实现,可以实现数据的存储和改变。

  • 功能逻辑简单,只能实现ID读取。

  • 无法实现多标签场景,不具有逻辑处理能力,没有多标签碰撞机制。即使现在已经商用的SAW RFID标签也只能支持不超过10个同时识别。

  • 工作距离短,由于缺乏有效的能量收集和发射机调制机制,只是通过无源器件的反射,阅读器接收到的信号非常弱,即使发射功率增大也很难提升识别距离。

  • 对阅读器要求高,无芯系统中对阅读器的要求为高速实时响应,超宽频带发射和接收,且宽频解调能力要求都非常高,阅读器很难实现且成本较高。

  • 系统稳定性差,由于无芯系统采用的工作频率多为非授权频段,且编码不具有校验和纠错能力,加上系统信噪比很差,误码率会非常高。

  • 量产复杂,由于无芯标签的数据是靠其自身结构和天线不同实现的,因此,每一个无芯标签都是彼此不同的,这对量产环节带来非常大压力,至今尚无较好的解决方案。

虽然无芯标签具有这么多的问题,但是依然是今后发展的一个方向,尤其是针对一些防伪、单品级管理的应用中,仍存在许多机会。