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標(biāo)簽和閱讀器：RFID 的工作原理以及如何設(shè)計您的第一個 RFID 標(biāo)簽天線

射頻識別 (RFID) 已經(jīng)存在了 50 多年，在過去的十年中，它終于便宜到可以大規(guī)模生產(chǎn)并放置在日常物品中。這為想要了解射頻和天線設(shè)計的電子設(shè)計人員提供了一些新機(jī)會。雖然 RFID 實現(xiàn)了與****上的條碼或磁條相同的功能，但它有一些獨特的用例，值得學(xué)習(xí)和設(shè)計。在此博客中，我們將介紹 RFID 的工作原理以及如何創(chuàng)建自己的 RFID 標(biāo)簽天線電路。

RFID 的工作原理

RFID 系統(tǒng)由三部分組成：掃描天線、包含產(chǎn)品所有信息的 RFID 標(biāo)簽，以及解碼和解釋標(biāo)簽上數(shù)據(jù)的閱讀器。這三個部分適合一個過程，其中：

數(shù)據(jù)首先以只讀或讀寫格式存儲在 RFID 標(biāo)簽中。標(biāo)簽要么是電池供電的，要么是被動的。
當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入掃描天線的范圍內(nèi)時，電磁 (EM) 能量會觸發(fā)標(biāo)簽開始以無線電波的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。
這些無線電波被天線接收并發(fā)送到閱讀器，閱讀器將這些無線電波解碼為數(shù)字信息。

標(biāo)簽與閱讀器通信以共享數(shù)據(jù)。（圖片來源）

RFID標(biāo)簽分為主動和被動兩種類型之一：

標(biāo)簽通常包含天線和微芯片。（圖片來源）

有源 RFID 標(biāo)簽

有源 RFID 標(biāo)簽使用內(nèi)部電池電源為其電路供電并發(fā)送無線電信號。由于它們的電池電量，有源標(biāo)簽可以在 805 到 950 MHz 的更高頻率上進(jìn)行廣播。這使它們可以從最遠(yuǎn) 100 英尺的地方進(jìn)行掃描。

優(yōu)點	缺點
可以遠(yuǎn)距離閱讀通常包括額外的傳感器更高的帶寬能力自主聯(lián)網(wǎng)能力可以進(jìn)行自我診斷	電池壽命有限制造成本更高更大的占地面積更高的維護(hù)成本電池斷電可能導(dǎo)致誤讀數(shù)據(jù)

無源 RFID 標(biāo)簽

無源 RFID 標(biāo)簽沒有電池電源，依靠天線的電磁耦合供電。這使它們的閱讀距離更短，最多可達(dá) 20 英尺。但是，由于它們的電路中的組件較少，因此它們的生產(chǎn)和一次性使用也更便宜。這是您可以在消費級產(chǎn)品中找到的那種標(biāo)簽。

優(yōu)點	缺點
使用壽命長，20 年以上制造成本更低占地面積更小	只能近距離閱讀基本功能，無需添加傳感器任何 RFID 閱讀器都可以讀取標(biāo)簽

所有 RFID 標(biāo)簽都按其世代和類別分類。當(dāng)前的 Gen-2 RFID標(biāo)簽于 2004 年 12 月采用，與 Gen-1 相比具有多項優(yōu)勢，包括：

與所有 RFID 系統(tǒng)的互操作性，第一個全球標(biāo)準(zhǔn)
比 Gen-1 更快的讀取速度
先進(jìn)的防沖突協(xié)議提供精確的性能
提高安全性和隱私性
多個閱讀器的物理部署更容易

RFID 標(biāo)簽類別范圍從 0 類到 5 類，并定義了可用的功能。課程詳情包括：

班級	功能性
0級	UHFI 只讀、預(yù)編程無源標(biāo)簽
1級	超高頻或高頻，一次寫入，多次讀?。╓ORM）
2 級	可隨時寫入的被動讀寫標(biāo)簽
3 級	帶有用于記錄溫度、壓力和運動的傳感器的無源或有源讀寫標(biāo)簽。
第 4 類	帶有集成****的有源讀寫標(biāo)簽，可以與其他標(biāo)簽和閱讀器進(jìn)行通信。
5級	可以為其他標(biāo)簽供電并與閱讀器以外的外部設(shè)備通信的有源讀寫標(biāo)簽。

RFID的優(yōu)缺點

RFID 無線技術(shù)為物流、庫存控制和零售行業(yè)帶來了巨大的好處，但這并不意味著它是一項完美的技術(shù)。然而，與條形碼和其他手動掃描系統(tǒng)相比，RFID 具有一些明顯的優(yōu)勢，包括：

同時掃描多個項目。與一次只能處理一件物品的光學(xué)掃描儀相比，RFID 系統(tǒng)可以一次掃描所有傳入的物品。
降低成本。制造有源和無源 RFID 標(biāo)簽的成本已大幅下降，這使得它們可用于一次性消費產(chǎn)品。
讀寫能力。條碼只能寫入一次數(shù)據(jù)，但 RFID 標(biāo)簽可以根據(jù) 2 類及以上標(biāo)簽的需要進(jìn)行多次更新。
沒有視線問題。與光學(xué)掃描儀不同，掃描物品時沒有視線要求。這使得 RFID 成為高效工業(yè)環(huán)境的理想選擇。

RFID 的缺點分為兩類，與 RFID 實施和安全/隱私使用相關(guān)的技術(shù)問題。

RFID可以被打亂。在電磁頻譜上使用正確頻率的人可能會干擾 RFID 系統(tǒng)。您還可以連續(xù)讀取電池供電的 RFID 標(biāo)簽，直到其斷電。
讀卡器碰撞問題。需要仔細(xì)設(shè)置系統(tǒng)以避免多個信號重疊的任何沖突問題。這已通過 Gen-2 改進(jìn)的防沖突協(xié)議得到改進(jìn)。
可以遠(yuǎn)距離閱讀。大多數(shù) RFID 系統(tǒng)設(shè)計為在小距離內(nèi)工作。但是，使用高增益天線，您可以在無人知曉的情況下從 100 多英尺外讀取標(biāo)簽。
未經(jīng)許可即可閱讀。當(dāng)我們開始將 RFID 嵌入到服裝和消費品等日常用品中時，我們也受到商店掃描我們攜帶的每件物品以防盜竊的擺布。這是隱私問題，還是只是便利的成本？

RFID用例

由于其較低的制造成本，RFID 的用途正在遍及各種行業(yè)和環(huán)境。我們今天看到的一些最常見的應(yīng)用包括：

零售和庫存控制

RFID 標(biāo)簽貼在零售店的服裝和其他消費品上。這使員工無需處理條形碼即可掃描物品并跟蹤庫存水平。

像沃爾瑪這樣的零售巨頭正在將 RFID 整合到他們的零售供應(yīng)鏈中。（圖片來源）

地鐵通****和收費站。

RFID 標(biāo)簽通常被添加到收費站和地鐵通行證。這允許通勤者刷卡并自動扣除車費。

許多收費站現(xiàn)在都在實施 RFID 技術(shù)。（圖片來源）

防盜

像定制吉他這樣的高價奢侈品現(xiàn)在都嵌入了 RFID 標(biāo)簽。然后與當(dāng)?shù)貓?zhí)法部門、經(jīng)銷商和維修店共享此庫存，以幫助防止盜竊。

這把 Gibson 吉他的桁架桿下方的小點是一個 RFID 芯片。（圖片來源）

這些只是 RFID 眾多用途中的一小部分。未來，這項技術(shù)將被證明是亞馬遜 Go等概念零售購物體驗的主要顛覆者。RFID 的其他一些用例包括：

人和動物追蹤
NFC非接觸式支付
旅行證件
醫(yī)療數(shù)據(jù)管理
跟蹤集裝箱和鐵路車輛

設(shè)計您的第一個 RFID 天線標(biāo)簽電路

在設(shè)計 RFID 系統(tǒng)時，工程師通常會將現(xiàn)有的標(biāo)簽微芯片（如STMicroelectronics ST25）與定制天線結(jié)合使用。在本節(jié)中，我們將介紹一些有關(guān)如何處理此天線設(shè)計過程的實用技巧，以及應(yīng)用說明中的更多詳細(xì)信息。

了解您的申請頻率

在設(shè)計定制天線之前，您需要了解應(yīng)用的頻率。幾乎所有的 RFID 系統(tǒng)都在兩個較低頻段運行，即 13.56 MHz 或 125 KHz，這兩種頻段幾乎都適用于每個國家。在 13.56 MHz 頻段內(nèi)，您的應(yīng)用可分為：

遠(yuǎn)程（LR）。這些產(chǎn)品的調(diào)諧頻率在 13.6 MHz 和 13.7 MHz 之間。
標(biāo)準(zhǔn)短程（SR）。這些產(chǎn)品的調(diào)諧頻率在 13.6 MHz 和 13.9 MHz 之間。
用作交通****的 SR 產(chǎn)品在 14.5 MHz 和 15 MHz 之間轉(zhuǎn)換。

要確定應(yīng)用的頻率，您還需要考慮設(shè)備的材料和環(huán)境。例如，使用粘合劑將紙質(zhì)標(biāo)簽粘合在一起的 RFID 標(biāo)簽會將天線頻率降低約 300 KHz。這種降低使得有必要將天線調(diào)諧到 13.9 MHz，而不是指定的 13.6 MHz。

參考等效電路模型

許多天線設(shè)計應(yīng)用筆記將包含一個等效電路模型，您可以在自己設(shè)計時遵循該模型。下面的示意圖顯示了芯片和天線如何在典型電路中組合在一起：