深入探討RFID技術及電磁兼容的研究

RFID是射頻識別技術的英文(RadioFrequencyIdentification)縮寫。射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術。該技術在世界范圍內(nèi)正得到廣泛的應用，在我國，該技術及其應用處于初級發(fā)展階段，存在技術水平不高、標準規(guī)范不完整等諸多問題。但同時，射頻識別技術在我國又擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場潛力，相對于條碼技術而言，射頻識別技術的發(fā)展和應用的推廣將是我國自動識別行業(yè)的一場技術革命。但是嶄新的無線技術在推動了相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，如果使用不當勢必會帶來頻率干擾，如何同現(xiàn)有無線電業(yè)務和平共處是本文所主要考慮的問題。

1、RFID技術介紹

射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。

射頻識別系統(tǒng)通常由電子標簽(射頻標簽)和閱讀器組成。電子標簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為待識別物品的標志性信息。應用中將電子標簽附著在待識別物品上，作為待識別物品的電子標記。閱讀器與電子標簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，通常的情況是由閱讀器向電子標簽發(fā)送命令，電子標簽根據(jù)收到的閱讀器的命令，將內(nèi)存的標志性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。這種通信是在無接觸方式下，利用交變磁場或電磁場的空間耦合及射頻信號調(diào)制與解調(diào)技術實現(xiàn)的。

現(xiàn)階段的RFID技術在全球主要有車輛識別、自動化生產(chǎn)線管理、家畜識別、身份識別、門禁管理等方面的應用。



圖1　RFID系統(tǒng)示意圖

表1　RFID技術的應用



典型應用領域

具體應用

車輛自動識別管理

鐵路車號自動識別是射頻識別技術最普通的應用。

高速公路收費及智能交通系統(tǒng)

高速公路自動收費充分體現(xiàn)了非接觸識別的優(yōu)勢，在車輛高速通過收費站的同時完成繳費，解決了交通的瓶頸問題，提高了車行速度，避免擁堵，提高了收費結算效率。

貨物的跟蹤、管理及監(jiān)控

射頻識別技術為貨物的跟蹤、管理及監(jiān)控提供了快捷、準確、自動化的手段。以射頻識別技術為核心的集裝箱自動識別，成為全球范圍最大的貨物跟蹤管理應用。

倉儲、配送等物流環(huán)節(jié)

射頻識別技術目前在倉儲、配送等物流環(huán)節(jié)已有許多成功的應用。隨著射頻識別技術在開放的物流環(huán)節(jié)統(tǒng)一標準的研究開發(fā)，物流業(yè)將成為射頻識別技術最大的受益行業(yè)。

生產(chǎn)線產(chǎn)品加工過程自動控制

主要應用在大型工廠的自動化流水作業(yè)線上，實現(xiàn)自動控制、監(jiān)視，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

動物跟蹤和管理

射頻識別技術可用于動物跟蹤。在大型養(yǎng)殖廠，可通過采用射頻識別技術建立飼養(yǎng)檔案、預防接種檔案等，達到高效、自動化管理牲畜的目的，同時為食品安全提供了保障。

2、國際RFID技術特點及相關管理規(guī)則

盡管RFID在不同頻段有著不同的應用，但近年來被業(yè)內(nèi)人士看好的技術是基于UHF頻段的無線射頻識別技術。從應用的趨勢來看，現(xiàn)代物流業(yè)、商品零售業(yè)會廣泛應用RFID技術，為什么UHF頻段的RFID技術會成為全球熱點?主要有以下幾個需考慮的因素(見表2所示)。

表2　UHF頻段應用特點



從幾個要素中，我們發(fā)現(xiàn)UHF頻段的讀寫距離在4～5米，從經(jīng)典的無線傳輸模型公式(1)中

　(1)

(其中P1為標簽的接收功率，Gr為發(fā)射功率，L為路徑衰耗，λ為波長)，可以看出：

假設發(fā)射機的功率是等同的，利用低頻實現(xiàn)RFID，理論上將獲得很大的接收功率，但標簽的尺寸較大將影響市場的廣泛應用；如果利用微波實現(xiàn)RFID的方案，盡管標簽將變得較小，但路徑衰耗較大，波長較短，接收功率是相當小的，極大地影響了讀寫距離。綜合考慮，UHF頻段的RFID將具有波長適中、遠場耦合、標簽較小、空間衰耗小、工作距離相對較遠等優(yōu)點，加上IC智能卡技術不斷的成熟，TAG標簽的價格將不斷走低，更為其廣泛應用奠定了必要的基礎。所以UHF頻段的RFID技術將服務于全世界成為不爭的事實。

基于RFID的技術特點和潛在的應用空間，國際相關無線電管理機構已經(jīng)開始進行頻率規(guī)劃工作，并制定了相應的管理政策，筆者對此進行了簡單的整理，具體情況如表3所示。

表3　世界各國RFID頻率規(guī)劃概況



從表3我們可以清晰地看到，已作規(guī)劃的國家和地區(qū)，RFID的頻率使用大致在860～960MHz頻段，這已經(jīng)成為國際主流趨勢，同我們上述所作的技術分析的結論是吻合的。

各國政府除了對RFID的Reader(讀寫器)的發(fā)射功率作了相關規(guī)定外，對占用帶寬、調(diào)制方式、調(diào)頻數(shù)目均作了相關的規(guī)定。如：

(1)歐盟規(guī)定信道間隔為200kHz，在865.6～867.6MHz的2MHz的頻帶內(nèi)，讀寫器發(fā)射功率小于2W(E.R.P)；在856～856.6MHz的三個信道使用時，讀寫器發(fā)射功率須小于100mW；在867.6～868MHz的兩個信道使用時，讀寫器發(fā)射功率小于500mW。所以實際上在歐洲使用的RFID設備的信道間隔為200kHz，有10個功率可以達到2W的跳頻信道。

(2)美國FCC機構規(guī)定美國FCC將902～928MHz這一頻段劃分為工、科、醫(yī)(ISM)頻段，所以對于信道劃分以及帶外輻射的要求相對寬松，要求信道間隔不超過500kHz即可，所允許的發(fā)射機最大發(fā)射功率小于4W(E.I.R.P)。所以目前美國市場上所使用的設備信道間隔以500kHz為主流，而且由于有相對較寬的26MHz的頻帶使用，所以跳頻信道個數(shù)也在50個以上，讀寫器的發(fā)射功率基本上為4W(E.I.R.P)。

(3)調(diào)制方式主要以FSK(帶副載波)、ASK、PSK較簡單的制式為主，未來可能出現(xiàn)較復雜的數(shù)字調(diào)制方式。

(4)標簽的天線盡管沒有規(guī)定，但趨勢是使用半波偶極子天線，因為它所能輻射的面積較大，達到1.64λ2/4π，增益因子為1.64。

3、RFID發(fā)射設備電磁兼容性研究情況

我國的無線電管理機構正積極開展RFID的頻率規(guī)劃和指配工作，并啟動了相關技術研究工作。我國所從事的頻率規(guī)劃工作的指導原則應是：

(1)必須確?，F(xiàn)有業(yè)務的正常運行，在專用頻段、公眾移動通信、集群通信頻段不能安排此項業(yè)務；

(2)需要進行RFID業(yè)務與現(xiàn)有業(yè)務的共存條件研究，需進行大量深入細致的電磁兼容分析和實驗；在電磁兼容分析和實驗的基礎上制訂出RFID工作頻帶、發(fā)射功率、帶外發(fā)射、雜散發(fā)射等指標，必要時要制訂配套的相關臺站管理規(guī)定；

(3)制訂設備的無線技術指標時，要考慮滿足RFID業(yè)務在中國的大規(guī)模有效使用的頻帶、信道帶寬、帶外雜散、發(fā)射功率的相關要求。既要考慮保護現(xiàn)有無線電業(yè)務，又要考慮RFID設備的技術制造難度和制造成本。

顯而易見，電磁兼容性實驗作為頻率規(guī)劃的重要的技術支撐手段是十分必要的，電磁兼容工作實際上就是關于無線電頻譜資源的有效利用和合理分配的問題，是對新技術、新制式無線通信進行頻率規(guī)劃必需的技術研究工作。

表4是我國在860～960MHz頻段的頻率規(guī)劃和指配情況。

表4　我國860～960MHz頻段頻率規(guī)劃和指配情況



我們針對UHF頻段的相關已存在的業(yè)務進行了RFID設備的兼容性測試(RFID讀寫器樣品帶外雜散發(fā)射測試圖樣例見圖2)，由于標簽相對讀寫器來說功率較小，測試主要考慮讀寫器對公眾蜂窩通信的影響，特別是對易發(fā)生鄰頻干擾的GSM網(wǎng)絡。對無中心對講機系統(tǒng)也進行了相關的實驗室環(huán)境干擾測試。我們所使用的測試環(huán)境為EMC10米法半電波暗室、5米法全電波暗室，以及相關的真實環(huán)境。實驗室測試配置如圖3所示。



圖2　RFID讀寫器樣品帶外雜散發(fā)射測試圖舉例



圖3　實驗室測試配置

通過測試，我們發(fā)現(xiàn)讀寫設備同其他鄰近頻段無線電業(yè)務在近距離使用的情況下，當Reader開啟時，對鄰近無線電業(yè)務有相應的影響，這主要來自開關機噪聲的干擾；在工作環(huán)境較近的情況下(如1米以內(nèi))，由于讀寫器的帶外噪聲對臨近業(yè)務會有輕微的鄰道干擾。上述干擾，可以通過調(diào)整頻率的必要帶寬、發(fā)射功率大小和帶外發(fā)射特性等措施加以消除。通過相關試驗，筆者談一些個人建議：

(1)RFID設備實際使用時較理想的使用模式應是跳頻模式。

(2)考慮到將來的大容量標簽所需的更高的讀取速率，需要設備能夠提供足夠的必要帶寬。

(3)大功率的設備較難實現(xiàn)比較好的帶外特性，小功率的設備比較容易實現(xiàn)較好的帶外特性，考慮到對相鄰頻段業(yè)務的保護，建議RFID設備發(fā)射功率能夠滿足應用即可。帶外發(fā)射以及雜散發(fā)射必須滿足信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局的相關文件以及國家有關標準之規(guī)定。

(4)為了防止RFID設備的電源端口、電信端口、信號端口耦合的傳導騷擾通過電源線、電信電纜或內(nèi)部連接電纜向空間輻射電磁波，建議RFID設備的電源端口、電信端口、信號端口的傳導騷擾滿足GB9254-1998《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》的相關要求。

(5)考慮到RFID設備可能在較惡劣的環(huán)境中試用，有可能由于環(huán)境溫度、濕度以及工作電壓的變化而引起設備射頻性能的變化，建議對RFID設備進行極限條件下的射頻性能測試，具體要求參照相關的國家標準。