RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

掃碼觀看本章節(jié)視頻講解

2.3 超高頻RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離

談到超高頻RFID，最常談?wù)摰膯栴}是這個(gè)標(biāo)簽或者這個(gè)閱讀器能工作多遠(yuǎn)，這也一直是一個(gè)令人糾結(jié)的問題。同樣一個(gè)標(biāo)簽，有的人說能讀10米，有的說能讀3米,到底讀取距離跟什么有關(guān)系呢？有經(jīng)驗(yàn)的朋友一定會(huì)說，一般情況下閱讀器的輸出功率越大、閱讀器天線增益越大、標(biāo)簽靈敏度越高、標(biāo)簽天線增益越大，整個(gè)系統(tǒng)的工作距離越遠(yuǎn)。那到底這個(gè)關(guān)系是如何計(jì)算的呢？讀者需要先學(xué)習(xí)Friis方程及雷達(dá)距離方程。Friis方程非常重要，對(duì)計(jì)算超高頻RFID的識(shí)別距離非常有用，2.3.1節(jié)會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的公式推導(dǎo)，希望大家跟著本書推導(dǎo)一次，今后在各種超高頻RFID應(yīng)用中都會(huì)有很大幫助。

2.3.1Friis方程及雷達(dá)距離方程與標(biāo)簽識(shí)別距離的關(guān)系

識(shí)別距離是超高頻RFID標(biāo)簽最重要的參數(shù)之一，主要受到兩個(gè)參數(shù)的影響，分別是標(biāo)簽剛好能夠從閱讀器獲取足夠開啟功率的最大距離（即標(biāo)簽激活距離）和閱讀器能夠檢測(cè)到標(biāo)簽反向散射信號(hào)的最大距離，有效的識(shí)別范圍取這兩個(gè)距離的較小值。

通過理論分析有效地確定反向散射無源標(biāo)簽RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離和識(shí)別范圍。由自由空間傳輸理論方程—Friis方程，可知標(biāo)簽激活的最大距離，通過研究雷達(dá)距離方程可得檢測(cè)到標(biāo)簽反向散射信號(hào)的最大距離，其主要目的在于找到合適有效的方法來研究該類RFID系統(tǒng)的有效識(shí)別范圍。

01、Friis方程

弗林斯傳輸方程（Friis）是天線理論中最重要的方程。Friis傳輸理論用于解釋并確定無線電通信線路中負(fù)載匹配的天線所接收到的功率。

如圖2-48所示，發(fā)射機(jī)將發(fā)射功率為的能量饋送給增益為的發(fā)射天線，在距離R處有一接收天線，此接收天線的增益為，并設(shè)接收機(jī)由接收天線而接收到的功率為。

圖2-48簡(jiǎn)單發(fā)射接收系統(tǒng)示意圖

則在自由空間，無損耗，極化匹配，端口匹配的情況下接收天線所接收到的信號(hào)功率為

這就是弗林斯傳輸公式。這個(gè)等式關(guān)系自由空間路徑損耗，天線增益和天線接收和發(fā)射功率。這是一個(gè)基本天線理論方程。由式（2-10）可知，發(fā)射天線與接收天線的增益直接影響到接收天線的功率。

弗林斯傳輸方程還有另一種有用的形式為

由式（2-11）可知，頻率越高，接收天線接收到的功率越低，即衰減越大。

利用Friis自由空間傳輸公式（2-10）可知，在任意給定五個(gè)量中的任意四個(gè)量之后，剩余的一個(gè)量必定可求。最大可讀距離R：

其中為標(biāo)簽的接收功率（最低開啟功率）；為閱讀器天線發(fā)射功率；為閱讀器發(fā)送天線增益；為標(biāo)簽接收天線增益；為接收天線和發(fā)射天線之間的距離。

若標(biāo)簽芯片的讀取靈敏度為。由，則Friis方程可以表示為:

其中，定義功率傳輸系數(shù)（匹配系數(shù)），其中為修正反射系數(shù)，為為天線電阻；為天線電抗；為負(fù)載電阻；為負(fù)載電抗；所以，稱為功率傳輸系數(shù)。當(dāng)=1時(shí)，即是完全匹配情況時(shí)，標(biāo)簽可以達(dá)到最大識(shí)別距離。

如果完整的考慮識(shí)別距離，就要同時(shí)考慮天線的極化效率和標(biāo)簽天線的輻射效率，公式為變?yōu)椋?/span>

02、雷達(dá)距離方程

雷達(dá)距離方程（Radar Range Equation）用于計(jì)算雷達(dá)在各種工作模式（搜索、跟蹤、信標(biāo)、成像、抗干擾、雜波抑制等）下的最大作用距離的方程式。它是根據(jù)已知雷達(dá)參數(shù)、傳播路徑、目標(biāo)特性和所要求的檢測(cè)與測(cè)量性能來計(jì)算雷達(dá)的最大距離的基本數(shù)學(xué)關(guān)系式，對(duì)作為檢測(cè)和測(cè)量設(shè)備的雷達(dá)進(jìn)行性能預(yù)計(jì)。它與雷達(dá)參數(shù)（如發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)、天線增益、波長等）、目標(biāo)特性（如目標(biāo)的雷達(dá)截面積等）和傳播性能（如大氣衰減、反射等）有關(guān)。關(guān)于雷達(dá)截面，其簡(jiǎn)稱RCS（Radar Cross Section），指的是其有效反射電磁波的面積。

我們知道標(biāo)簽通過負(fù)載調(diào)制反向散射電磁波使閱讀器接收到有效的信號(hào)，就是說標(biāo)簽在調(diào)制和不調(diào)制的時(shí)候反向散射的電磁波能量不一樣。如圖2-49所示，標(biāo)簽在調(diào)制的時(shí)候比不調(diào)制的時(shí)候反射的電磁波能量強(qiáng)，閱讀器就是靠接收這個(gè)電磁波的差值來解析0或1的信號(hào)的。圖中的為距離閱讀器天線R處的功率譜密度：

這個(gè)時(shí)候標(biāo)簽反射（未負(fù)載調(diào)制）的能量為：

其中為標(biāo)簽反射的能量，為當(dāng)前為反射時(shí)標(biāo)簽的雷達(dá)截面。

同理當(dāng)標(biāo)簽負(fù)載調(diào)制時(shí)反射的能量為：

其中為標(biāo)簽反射的能量，為當(dāng)前為反射時(shí)標(biāo)簽的雷達(dá)截面。由于未調(diào)制時(shí)標(biāo)簽芯片與天線阻抗匹配，反射能量較小，而負(fù)載調(diào)制時(shí)天線與芯片失配，反射能量增強(qiáng)，因此。

圖2-49負(fù)載調(diào)制反向散射原理

定義負(fù)載調(diào)制與未負(fù)載調(diào)制的差值為有雷達(dá)截面差值。

其中為負(fù)載調(diào)制時(shí)的反射系數(shù)，為未負(fù)載調(diào)制時(shí)的反射系數(shù)。

根據(jù)ISO的標(biāo)準(zhǔn)，在其標(biāo)簽工作50%距離以上應(yīng)超過0.005，如圖2-50，從圖中可以知道，標(biāo)簽的雷達(dá)截面并不是一成不變的，在不同的能量場(chǎng)下的雷達(dá)截面是不同的，在功率大的情況下雷達(dá)截面比較小，但是這不影響閱讀器的接收，因?yàn)槠渌幍哪芰繄?chǎng)密度比較大，反射的能量也比較大。需要關(guān)注的是在正向工作最遠(yuǎn)距離時(shí)的雷達(dá)截面的大小。

圖2-50雷達(dá)截面與距離的關(guān)系

如圖2-51所示，標(biāo)簽反向散射的能量差值為，所以閱讀器可以收到的能量通過Friis方程式（2-10）進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)標(biāo)簽為發(fā)射源，發(fā)射能量為則得到：

設(shè)閱讀器接收反射信號(hào)的靈敏度為，故在閱讀器識(shí)別返回信號(hào)的臨界狀態(tài)為：

可知檢測(cè)到標(biāo)簽反向散射信號(hào)的最大距離為：

圖2-51標(biāo)簽反向散射能量

從式（2-21）可以看出，與閱讀器的輸出功率、閱讀器的天線增益、閱讀器的靈敏度、工作頻率和標(biāo)簽的雷達(dá)截面差值幾個(gè)參數(shù)相關(guān)。