RFID技术简介-喷墨打印微制造技术

在过去20年里，在RFID领域发生了一系列戏剧性的重大事项^[4，5]。作为一种提升库存管理^[6]、设备控制、库存/程序管理^[7]、工厂流水线、运输管理^[8]、产品运输/跟踪效率的有效途径，它获得了利益。在RFID系统中，被跟踪的物件会被“贴上”一个小电子电路，可以与外部的读取器交流，给读取器提供特殊的鉴别标识，以鉴别被标记物件的性质。通过发展这种系统来跟踪仓库中的运货板、工厂完成的货物或者商店中的单个物品，只要注意控制库存，预计RFID能在生产上激增。

很明显，RFID的潜在应用是巨大的。可以被标签化的物品种类是巨大的，最终，全球无处不在的光学扫描条形码都可以用RFID来代替。影响部署率的最大因素是成本。为了使RFID得到广泛发展，标签的成本是微乎其微的，某种程度上跟踪效率提升带来的利益会更大^[9]。不同的预算评估了标签的成本和售出量之间的关系。当有的已经被商业化的RIFD应用使用在几十美分的标签来发展RFID标签时，将标签成本降至几美分甚至更低是有必要的。19.1.1.1 RFID标签分类

通常RFID标签的分类基于运行供能以及具体如何与读取器交换信息^[4，10]。第一个分类，标签被分为用电池能源的和由读取器提供能源的。前者叫“主动标签”，后者叫“被动标签”。被动标签不带电池，能源由读取器提供。读取器通过天线提供大量能源（具体能量限制由相应的政府文件制定）。有天线的标签获得这种能源并且利用内部电容器充电。标签与读取器距离越近，充电越有效率。由于这种能源转换方式很没效率，被动标签的使用范围通常比主动标签小，典型的被动标签的使用范围常常在几厘米至几米。这种能量传输的低效率性常常由于读取器不“知道”标签在哪而变得更低。标签只能通过和它的小天线相互作用的电磁场消除能量，因此造成读取器提供的大量能量浪费了。

RFID标签分类也可以基于读取器传输信息的频率。通常讲，一些频率范围普遍被用作RFID应用。某个频率范围是否可用于RFID由政府具体机构决定，因此读取器可以在不需要政府颁发广播许可证的频率和能源状态下运行。通常世界范围所用的频带或者试验用频带为135kHz以下、13.56MHz、900MHz和2.4GHz。

每种频带有优势也有劣势，下面的内容中将会进行讨论。

135kHz RFID 135kHz的RFID已经得到了很广泛的应用，这种频率主要有两种RFID标签——一种是很短距离使用的标签（基本处于接触状态）；另一种是长距离使用的标签（几厘米至几米）（见图19.1）。这种频率下使用的标签在读取器的拟域，换言之，是主要通过磁性元件，与读取器发出的电磁信号发生交互。这种方式下，标签的“天线”由电感器构成，读取器天线也包含电感器。当标签在读取器可操作范围内时，两个电感器就会配对，产生互感。这使得读取器能给标签提供能量，并使得标签和读取器能够交换信息。135kHz RFID很吸引人的地方在于这种频率对于水或者其他流体不敏感，并且能在金属中工作得很好。这种135kHz或更低频率标签能很好地作用于包括这些材料的环境中，这些标签甚至被广泛被植入家畜体内用作管理控制，而且在动物内脏中也能被外部读取器探测到^[11]。这种135kHz RFID的主要缺点在于电感器尺寸、形态和范围。通常电感器的尺寸随着运行频率的减少而增加。135kHz电感器非常大，假如把它看成一个平面螺旋，比如一块塑料布，它的半径将会达到几厘米，形成一个很大的标签。而且这种平面螺旋式的电感器使得标签和读取器之间的能量传输效率很低。一个影响标签设计的参数是电感器Q，即电感器耗损特性的指标。由于大型螺旋电感器电线很长，损耗抗性会很大，所以Q变小。平行螺旋电感器限制了135kHz RFID标签的范围，典型的范围最多几厘米。通过替换结构可以显著地拓展平面螺旋电感器的使用范围。通过在磁心使用损伤线圈，可以显著提升电感器的Q，提高使用范围（见图19.1）。使用这种结构，可以达到几米。不过这种电感器有很多价格缺陷，因损伤线圈要花费几十美分。因此135kHz RFID目前没有被看作理想的标签应用。

图19.1 一些典型的135kHz标签

13.56MHz RFID 13.56MHz是目前RFID比较重要的一种频率，在这种频率下，能量仍然能感应耦合。然而与135kHz RFID比较，这种频率的天线更小，典型标签电感器的半径只有1～2cm（见图19.2），这就使标签更小更便宜。此外，由于电感器更小，可以得到更高的Q。这种平行螺旋结构中，如果没有太多困难，Q值是可以取到5～20内的。不像135kHz，这种频率下不需要昂贵的绕组电感器。这种频率下感应范围可以达到几十厘米，因此13.56MHz RFID在项目层的跟踪应用上得到了很多关注。这种频率标签已经广泛应用于库存管理和大量票据交易管理^[7，8]，而且很可能在不久的将来被应用于医药业跟踪。(www.xing528.com)

图19.2 一些典型的13.56MHz RFID标签

13.56MHz RFID在液体中工作很得正常，但是很容易受到附近金属的干扰。从某种程度上来说，这种金属的相互作用可能通过在标签和金属表面之间的绝缘隔离片来减小。不管怎样，这仍然是个问题，限制了13.56MHz RFID在某些应用上的发展。

900MHz RFID和2.4GHz RFID 900MHz RFID被称为超高频（UHF）标签，而2.4GHz RFID常被称作微波标签[而13.56MHz标签通常被称作高频（HF）标签]。这种UHF标签的运行方式与上述的135kHz和13.56MHz标签的运行方式大相径庭。由于这种UHF标签常在读取器的电磁远场区域运行，所以主要与相同的电子器件交互作用。所以这种频率不进行电感耦合，这种标签天线不是电感器。当然，反向散射系统通常用于交流，天线是一种偶极子粒子结构。这在平面几何中很容易建立，而且可以被设计得长而薄，使得标签在长度上有几厘米而在宽度上小于1cm。在这种频率下，天线的设计是个重要的问题，应该有实质性的知识产权。因此宽度可变的天线设计被应用（见图19.3）。

图19.3 一些常规的UHF天线结构

900MHz和2.4GHz的RFID系统拥有相对长距离的操作范围，其中有些系统能达到几米。因此，这种系统对于要求更长范围而非使用UF标签可完成的应用极具吸引力。所以，UHF标签在托盘级和箱具级识别的追踪方面发展很迅速。不幸的是，这种标签对液体非常敏感（液体在2.4GHz对于辐射波的吸收非常强烈），而且与金属的反应很剧烈。而且这种系统会有奇点，即一个处于信号强度非常弱的区域，尽管RFID系统操作范围降低。这种标签用于物品级别的标签，包括液体或金属容器会是个问题，而且需要小心读取器的位置来减少标记方向的奇点效应。不管怎样，如果能够使用这些频率得到长范围，UHF标签在RFID时代会是极其重要的领域。