射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification）是20世纪90年代开始发展起来的一种非接触自动识别技术，被称为21世纪十大重要技术之一。RFID技术的无接触(无线的)识别能力是利用无线射频信号在传播过程中的电磁耦合原理来实现获取目标对象信息和数据传递，进而达到对目标对象自动识别的目的。因此，RFID技术在物品信息的采集和传输方面是无需人工干预而自动完成的。RFID具备防水、防磁、耐高温、常规使用的寿命长、读取距离可控、标签数据安全、存储容量大、存储信息可读写操作等等诸多特征与优点。

  射频识别技术与物联网最初的“诞生”有着直接的关系。二十世纪末，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）首先提出了物联网的概念，在物联网的定义中提到物联网是通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。与计算机网络中IP地址类似的，MIT为网络中所有物品都提供一个唯一有效的标识EPC，即电子科技类产品编码（Electronic Product Code）。物联网EPC系统则利用RFID电子标签携带数据的能力将电子科技类产品编码信息赋予网络中的物体达到“物体”标识与信息通讯的目的，如图6-11所示。可见，射频识别技术RFID对于物联网的实现是最重要的。

  射频识别技术发端于二十世纪四十年代，直接继承了雷达的概念，利用电磁波的反射在空战中对敌我战机进行识别分辨，并由此发展出至今大范围的应用的RFID技术。下面是射频识别技术的几个主要的发展阶段：

  1941～1960年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”的科学论文奠定了射频识别RFID的理论基础。在此阶段，RFID技术处于探索当中，主要在研究机构的实验室中实验研究。

  1961～1980年。RFID技术的理论得到了发展，出现了一系列RFID技术的研究成果，开始了一些应用尝试，RFID产品研发也投入到商用实践中。一些公司引入RFID技术开发电子监控设备来保护财产、预防偷盗。例如，1位的电子标签系统用于商场防盗；挪威公路交通首次使用了RFID电子收费系统；美国铁路部门使用RFID系统识别机车车辆；欧洲在野生动物研究中使用RFID电子标签对野生动物进行跟踪。

  1981～2000年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，大规模应用慢慢的出现，RFID产品慢慢的变成为人们生活中的一部分。发达国家配置了大量的RFID电子收费系统，并将RFID用于安全和控制管理系统。比较著名的有：美国的公路自动收费系统普遍的使用了RFID技术；沃尔玛及其主要供应商应用RFID电子标签提高了商品物流仓储的管理效率，降低了运输、存储过程中的丢失、破损率，创造了客观的利润空间。

  2001至今。RFID产品品种类型愈加丰富，在所有的领域，如：物流、交通、身份识别、资产管理、食品、数据信息、安全控制等等，都得到了普遍使用。随着RFID技术的普及，RFID标准化问题在全世界内慢慢的受到重视。发达国家和大型公司企业投入大量人力物力纷纷制定相关RFID产品的标准和协议，以便自身在市场中占据有利地位。目前国际上有多种RFID标准，其中ISO/IEC、EPC Global和UID是三种主要RFID标准。

  射频RF（Radio Frequency），表示射频识别技术能使用的电磁频率，其频率范围从300KHz～300GHz之间，如下图6-12。

  电子标签由芯片及天线组成。芯片中存储着被识别物体的相关信息及EPC，所以每个电子标签具有唯一的电子编码，附有电子标签的物体就成为可识别的目标对象。

  总体上来说，RFID技术的工作原理是：当电子标签进入阅读器产生的磁场后，根据电磁感应原理，电子标签的线圈中会产生感应电流；此时电子标签根据接收到的阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量将标签芯片中存储的信息发送出去（无源标签或被动标签）或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）；阅读器获取电磁信号并转换解码后，传输至数据管理系统来进行进一步的数据处理。

  由于不同场景应用的RFID系统使用不相同的电磁频率，它们在工作原理的体现上还是有所区别的。这种差异主要反映在读写器和电子标签之间射频信号的传输方式上：低频和高频RFID系统大多数都采用电感耦合工作方式，而微波波段RFID系统则采用电磁反向散射工作方式。这两种方式选用的频率不同，工作原理也不同。

  低频和高频RFID系统使用的电磁频率较低，为了使电子标签获得足够能量，电子标签与读写器的距离必须很近，同时电子标签与读写器的天线大多数都是线圈形状，因此两个线圈之间的作用能够理解为两个微型变压器的耦合感应，如图6-14。

  微波波段RFID系统主要工作在几百兆赫兹到几吉赫兹之间，频率较高，电磁传播的距离较远，所以微波波段RFID系统采用与雷达工作原理类似的方式，即电磁反向散射工作方式：读写器主动发射出去的电磁波碰到电子标签后反射，同时携带目标的信息返回，如图6-15。

  迄今为止RFID技术的发展已经很成熟，应用也十分普遍，产品品种类型也很丰富。因此，它们在工作频率、传播距离、供能方式等方面也是不完全一样。为了更清晰地认识RFID系统，我们大家常常使用如下的四种方式对其进行分类：

  1.根据电子标签的供电方式可分为三类：无源RFID、有源RFID、半有源RFID。

  在以上三类RFID产品中，无源RFID由于其出现时间最早，所以工艺最成熟，应用也最为广泛。无源RFID的电子标签通过接受射频识别阅读器传输来的电磁信号在电磁感应线圈中获取能量对自身短暂供电并将芯片中的信息发送出去，从而完成与阅读器的信息交换。因没有专门的供电系统，所以无源RFID产品的体积可以缩小到厘米量级甚至更小，因此无源RFID的特点是结构相对比较简单、成本低、故障率较低、常规使用的寿命较长。但另一方面无源则意味着信号传播距离短，故而无源RFID的有效识别距离通常较短，通常用于近距离的接触式识别。无源RFID典型应用包括：公交卡、二代身份证、食堂餐卡、门禁卡等等，它们主要的工作频率在较低频段125KHz、13.56MKHz等。

  相对于无源RFID，有源RFID发展的时间比较短，但已在所有的领域，尤其是在高速电子不停车自动收费系统（EPC）中发挥着不可或缺的作用。由于有源RFID有电源供电，所以它可以主动向射频识别阅读器发送信号，因此拥有了较长的传输距离与较高的传输速度。一个典型的有源RFID标签与射频识别阅读器能在百米左右的距离内建立有效联系，读取率可达每秒2000次左右。同时，有源RFID其体积相对于无源RFID来说较大，EPC系统的电子标签其电源使用光伏电池，它的体积大小也能保持在较小的范围内。有源RFID主要的工作频率是900MHz、2.45GHz、5.8GHz等较高频段，且具有可以同时识别多个标签的功能。有源RFID的远距性、高效性，使得它在一些需要高性能、大范围的射频识别应用场合里必不可少。

  无源RFID自身不供电，体积小，但有效识别距离短。有源RFID自带电源，识别距离足够长，但体积较大。半有源RFID就为了兼顾两者的优点、避免缺陷而妥协的产物。半有源RFID又叫做低频激活触发技术。在多数情况下，半有源RFID产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的芯片进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。当阅读器侦测到有电子标签进入射频识别范围后，阅读器首先以125KHz频率低的信号在小范围内精确激活标签使之进入工作状态，再通过2.4GHz微波与其进行信息交换。换句话说，先利用低频信号精确定位（无源模式），再利用高频信号快速传输数据（有源模式）。其通常应用场景为：在一个高频信号所能所覆盖的大范围中，在不同位置安置多个低频阅读器用于激活半有源RFID产品。这样既完成了定位，又实现了信息的采集与传递。

  2.根据电子标签的工作频率可分为低频（30kHz～300kHz）、中高频（3MHz～30MHz）、超高频及微波系统（300MHz～5.8GHz）。

  低频RFID常见工作频率有低频125kHz、134.2kHz。低频系统特点是有效阅读距离较短，阅读天线方向性不强，电子标签存储数据量较小，电子标签外形多样等。低频RFID大多数都用在短距离、低成本的应用中，如门禁控制、校园卡、煤气表、水表等等。

  中高频RFID常见工作频率是13.56MHz，其基本特点与低频标准相似，但由于其工作频率的提高，数据传输速率和有效识别距离也相应提高。中高频RFID标签及天线设计一般会制成卡片形状，典型应用包括：电子车票、身份证、电子遥控门锁控制器等。

  超高频及微波RFID常见工作频率是860MHz～930MHz、2.45GHz、5.8GHz等。超高频及微波系统的特点是，标签内保存的数据量较大，阅读距离较远（可达十几米），阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性，阅读能力性能好，特别适应物体高速运动。所以，超高频及微波系统大多数都用在需要较长的读写距离和高读写速度的场合下应用，例如火车监控、高速公路收费等系统。显然，超高频及微波RFID的电子标签及阅读器成本也是最高的。

  3.根据电子标签芯片的可读性可分为可读写卡（RW）、一次写入多次读出卡（WORM）和只读卡（RO）。

  RW卡一般比WORM卡和RO卡贵得多，如电话卡、信用卡等；WORM卡是用户都能够一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比RW卡要便宜；RO卡存有一个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。

  4.根据电子标签调制方式可分为主动式（AcTIve tag）和被动式（Passive tag）。

  主动式的电子标签一般来说都是有源类型的，使用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，大多数都用在距离较远（可达30米）或有障碍物的应用中。被动式的电子标签一般是无源或半有源类型，使用调制散射方式发射数据，它必须根据阅读器读写器的载波来调制自己的信号，适宜在门禁或交通的应用中使用。

  电子标签（Tag）又称为射频标签、应答器或射频卡。电子标签附着在待识别的物品上，每个电子标签具有唯一的电子编码，是射频识别系统真正的数据载体。在RFID系统中，电子标签的价格远比读写器低，但电子标签的数量很大，应用场合多样，电子标签的组成、外形和特点也各不相同。

  一般情况下，电子标签由标签专用芯片和标签天线组成。芯片用来存储物品的数据，天线用来收发无线电波。电子标签由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路组成。

  (2)AC/DC电路：利用阅读器发射的电磁场能量，经稳压电路输出为其它电路提供稳定的电源。

  (4)逻辑控制电路：对来自阅读器的信号进行译码，并依阅读器的要求回发信号。

  (6)调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给阅读器。

  电子标签的结构及形式多种多样，有卡片型、环型、钮扣型、条型、盘型、钥匙扣型和手表型等。电子标签可能会是独立的标签形式，也可能会和诸如汽车点火钥匙集成在一起进行制造。

  低频频率使用自由；电波穿透力强；采用普通CMOS工艺，省电、廉价；有不同封装形式；磁场能产生相对均匀的读写区域；存储数据量小；识别距离近；数据传输速率比较慢，天线）高频电子标签的特点

  存贮的数据量增大；用更高的传输速率传送信息；天线的制作更简单；频段全球都免许可使用；该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是会降低读取距离；识别距离近。

  电子标签与读写器的距离较远；有很高的数据传输速率；可以读取高速运动物体的数据；多个电子标签同时读取；微波穿透力弱。

  电子标签的技术参数主要有一下几个：能量要求、读写速度、传输速率、容量、封装尺寸、读写距离、可靠性、工作频率。

  未来，随着电子工艺、电池技术、传感器、人工智能等有关技术的发展，电子标签将有一下的发展趋势：

  天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界而器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化，如图6-18所示。

  从RFID系统的识别过程显而易见，RFID读写器在感知RFID电子标签的过程中，天线在RFID电子标签和RFID读取器间传递射频信号起到了重要的桥梁作用，RFID读写器天线、RFID电子标签天线的性能对提高整个识别系统的性能有着重要的意义。由于RFID电子标签附着在被标识的物体上，RFID电子标签天线会受到所标识物体的形状以及物理特性的影响。影响因素包括所标识物体的材料、所标识物品的工作环境等。另外，在RFID无线射频的装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与RFID电子标签芯片之间的匹配问题变得更严峻。这一些因素给RFID电子标签天线的设计提出了更高的要求，同时也带来了巨大的挑战。

  当前的RFID无线射频系统大多分布在在低频、高频、超高频、微波频段，不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同。总体上来说，天线的设计都要从一下几个因素进行考虑：

  天线的辐射是具有方向性的。辐射场振幅与方向的关系曲线称为方向图，实际上就是远区场任意方向上某点的场强同方向的关系曲线。方向图一股指归一化的方向图，即远区场任意方向上某点的场强与同一距离的最大场之比同方向的关系曲线。定义方向图函数为：

  方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度的一个参数。任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。按照此定义，由于定向天线在各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同，在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。正常的情况下，定向天线的方向性系数就是最大辐射方向的方向性系数，即在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比，记为，即：

  天线效率是用以度量天线转换能量的有效性的指标。天线，表示天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分为损耗功率。天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比，即：

  天线效率仅反映了天线辐射能量的集中程度，而天线增益不仅反映了天线的辐射能力，还考虑了天线的损耗因数。在输入功率相同的条件下，定向天线在空间某方向的辐射功率密度与无损耗的点源天线在该方向辐射功率密度之比，称为天线的增益，记为。即：

  同时，增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向性系数与天线效率的乘积，即：

  对于频段为超高频、微波的RFID无线射频识别系统来说，由于RFID电子标签天线面积较小，因此天线的增益也是有限的，增益的大小要取决于天线辐射模式的类型。

  天线的输入阻抗可以用天线馈电点处的电压与电流之比来表示，通常为频率的函数。RFID天线 Ω，以便和常规的馈线实现阻抗匹配。RFID天线相当于读写器与电子标签输出端的终端负载，输入阻抗Zin定义为天线输入电压与输入电流之比。即：

  RFID天线的辐射功率相当于在一个等效阻抗上所产生的损耗。这个等效阻抗称为辐射阻抗，即：

  RFID系统所用的天线类型主要有线圈天线、偶极子天线、微带贴片天线)线圈天线

  目前线圈型天线的实现技术很成熟,已广泛地应用在如身份识别、货物标签等RFID应用系统中。低频和高频RFID采用电感耦合方式来进行工作，在这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。RFID天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器，线圈天线进入读写器产生的交变磁场中，两者的线圈相当于变压器的初级线所示。

  偶极子天线，也称为对称振子天线，由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线所示。信号从中间的两个端点馈入,在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布,信号从中间的两个端点馈入,在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布,这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场。偶极子天线具有辐射能力较强、制造简单和成本低等优点,且可以设计成适用于全方向通讯的RFID应用系统。

  微带贴片天线通常是由金属贴片贴在接地平面上一片薄层电介质（基片）表面所构成，如图6-21所示。根据天线辐射特性的需要，可以设计贴片导体为各种形状。通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长，假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化，仅沿约为半波长(λg/2)的导体长度方向变化，则微带贴片天线的辐射绝大多数都是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定，因此,一般适用于通讯方向变化不大的RFID应用系统中。微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄,馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印刷电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。微带贴片天线以其馈电方式和极化制式的多样化以及馈电网络、有源电路集成一体化等特点而成为印刷天线类的主角。同时，微带贴片天线具有轮廓低、易与物体共形、电性能多样化、使宽带与有源器件和电路集成为一体的组件等特点,能简化整机的制作与调试,非常适合于高速飞行体，也教容易组成阵列天线 RFID读写器

  阅读器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。依据使用的结构和技术不同，阅读器可以是读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。在RFID系统工作时，由阅读器在一个区域内发送射频能量形成电磁场，区域的大小取决于发射功率。在阅读器覆盖区域内的标签被触发，发送存储在其中的数据，或根据阅读器的指令修改存储在其中的数据，并能通过接口与计算机网络进行通信。

  阅读器的基本构成通常包括：收发天线，频率产生器，锁相环，调制电路，微处理器，存储器，解调电路和外设接口组成。

  (1)收发天线：发送射频信号给标签，并接收标签返回的响应信号及标签信息。