射頻識別技術與應用 課件 專題3-電磁波傳播的參數(shù)及RFID的耦合方式

《專題3-電磁波傳播的參數(shù)及RFID的耦合方式》《射頻識別技術與應用》課程主講教師：陳又圣1目錄CATALOG03010204RFID的耦合方式電磁波傳播的參數(shù)電磁波傳播損耗的計算電磁波傳播損耗的特征分析2

第一部分電磁波傳播的參數(shù)PART01013

RFID系統(tǒng)采用射頻信號傳輸，所使用的射頻信號是頻率范圍為300kHz至300GHz的電磁波。電磁波能在空中傳播，并能被大氣層外緣的電離層反射，從而形成遠距離傳輸能力。射頻識別里的無線電波傳播的電參數(shù)主要包括：頻率、波速、波長、相位常數(shù)、波阻抗、能流密度等，本節(jié)將分析和定義電磁波傳播的參數(shù)。前言4RFID系統(tǒng)使用的電磁波及頻率范圍

RFID系統(tǒng)采用射頻信號傳輸，所使用的射頻信號是頻率范圍為300kHz至300GHz的電磁波。電磁波能在空中傳播，并能被大氣層外緣的電離層反射，從而形成遠距離傳輸能力。在RFID的應用中，可用的頻率范圍有限，因此需要根據(jù)應用場景進行頻譜分配。頻譜分配是指根據(jù)不同的業(yè)務對頻率進行分配，以避免頻率使用的重疊。5IEEE的頻譜劃分

IEEE頻譜劃分是目前廣泛采用的一種模式。例如，ELF頻帶范圍為30Hz至300Hz，VF頻帶范圍為300Hz至3000Hz，LF頻帶的范圍為30kHz至300kHz，HF頻帶的范圍為3MHz至30MHz，UHF頻帶的范圍為300MHz至3GHz。6頻率分配的不同的業(yè)務

國際頻率分配組織包括國際電信聯(lián)盟和國際無線電咨詢委員會等，而中國的頻率分配機構是工業(yè)和信息化部無線電管理局。頻率分配后可用于不同的業(yè)務，具體應用場景包括廣播業(yè)務、移動通信業(yè)務、無線電導航業(yè)務、定位業(yè)務、氣象業(yè)務、標準頻率業(yè)務、工業(yè)、科學、醫(yī)療等應用。其中，ISM頻段主要面向工業(yè)、科研、醫(yī)療機構開放。ISM頻段屬于未經(jīng)授權的頻段，用戶無需持證，使用無限制。7ISM頻段

在選擇射頻識別工作頻率時，應考慮其他無線電業(yè)務，不得干擾其他業(yè)務。因此，RFID和ISM通常只用于工業(yè)和科學應用。ISM頻段的部分頻率包括6.78MHz、13.56MHz、40.68MHz、433.92MHz、869MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等，由于135kHz以下的頻率范圍不保留為ISM頻率，135kHz以下的整個頻率范圍也可用于RFID系統(tǒng)。8電波傳播的電參數(shù)

射頻識別里的無線電波傳播的電參數(shù)主要包括：頻率、波速、波長、相位常數(shù)、波阻抗、能流密度等。9頻率參數(shù)

頻率是電磁波的一個重要參數(shù)。不同頻率的電磁波信號具有不同的穿透和衍射傳播能力，形成了低頻、高頻、微波等不同頻率范圍的射頻信號的使用。在實際應用中，工業(yè)產(chǎn)品往往在不同的頻段選擇一些典型的頻率。例如，低頻射頻信號的常見頻率為125kHz，高頻射頻信號的常見頻率為13.56MHz，微波射頻信號的常見頻率為5.8GHz。10波速參數(shù)

自由空間中電磁波的波速c為3×108m/s，電磁波在無損介質中的波速v為：11

式中c是光速，是相對介電常數(shù)，是相對磁導率。波長參數(shù)

電磁波的波長滿足以下公式：12

式中v是波速，f是電磁波的頻率。相位常數(shù)參數(shù)

相位常數(shù)k表示電磁波單位距離的相位該變量，按以下公式計算：13

式中是波長。波阻抗參數(shù)

波阻抗是電磁波中的電場與磁場的比值。14能流密度

能量流密度是單位時間內(nèi)沿能量流方向垂直平面的單位面積能量。15

第二部分RFID的耦合方式PART020216根據(jù)電子標簽與閱讀器之間的通信方式和能量感應方式，RFID系統(tǒng)可分為感應耦合系統(tǒng)和電磁反向散射系統(tǒng)，兩種模式采用不同的頻率和工作原理。前言17感應耦合方式

感應耦合模式是由空間高頻交變磁場實現(xiàn)的，可以用電磁感應定律來分析，它一般適用于中低頻工作的短程RFID系統(tǒng)。典型工作頻率包括125kHz、225kHz和13.56MHz。感應耦合方式下閱讀器與電子標簽的距離一般小于1m，一般工作場景之間的距離一般小于20cm。上圖是閱讀器和電子標簽之間的感應耦合模式的示意圖。18感應耦合方式的特征

感應耦合模式的兩個天線的距離一般較近，以便于電磁場能量的傳輸，閱讀器的能量通過天線發(fā)射出去，電子標簽的天線接收到來自閱讀器的電磁場信號并轉為電子標簽內(nèi)的能量，反之亦然。19電磁反向散射方式（1）閱讀器和電子標簽的電磁反向散射模式示意圖如上圖所示。電磁反向散射模式是基于電磁波的空間傳播規(guī)律，其原理是：當電磁波以類似雷達的方式從天線發(fā)射到周圍空間時，由于自由空間的衰減，到達的電磁波的一部分能量將被電子標簽吸收，另一部分則通過散射向各個方向傳播；反射能量的一部分將被傳輸回發(fā)射天線，返回的信號將被天線接收。20電磁反向散射方式（2）

閱讀器電路將接收到的回波信號放大并進一步進行信號處理，以獲得電子標簽的數(shù)據(jù)和信息。因此，電磁反向散射模式利用電磁波的反射完成電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射的電磁波擊中目標后會反射并攜帶目標信息。電磁反向散射模式主要用于433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz高頻和微波距離RFID系統(tǒng)。21電磁反向散射方式的特征

電磁反向散射模式的工作距離一般比感應耦合模式的工作距離長，大多數(shù)超過4m。由于目標的反射性能取決于頻率，一般情況下較高的頻率對應的反射性能越好，因此反向散射模式一般用于超高頻射頻信號。22低頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)缺點

低頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)點是采用標準CMOS工藝，技術簡單、可靠、成熟，沒有頻率限制，缺點是通信速度低、工作距離短、天線尺寸大。23高頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)缺點

高頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)點是可以兼容標準CMOS工藝，具有比低頻段更高的通信速度和更長的工作距離，但缺點是距離比超高頻段短，天線尺寸大，容易受金屬材料的影響。24超高頻RFID系統(tǒng)的優(yōu)缺點

超高頻射頻識別系統(tǒng)具有工作距離長、天線尺寸小、可繞過障礙物和方向識別等優(yōu)點，缺點是該頻帶的使用受到限制，并且傳輸功率受到限制。微波RFID系統(tǒng)具有帶寬高、通信速率高、工作距離長、天線尺寸小等優(yōu)點。缺點是該頻段屬于共享頻段，在很多領域都有應用，其中有些重疊沖突，易受干擾，技術復雜。25不同頻段射頻信號信號傳輸方式的選擇

不同頻段的射頻信號采用不同的信號傳輸方式。閱讀器和電子標簽的射頻信號適用于不同頻段，例如低頻段、高頻段、超高頻段、微波段。

針對不同頻段，感應耦合模式一般適用于中低頻工作的短程RFID系統(tǒng)，其天線尺寸較大。電磁反向散射模式一般適用于高頻、微波工作的遠距離RFID系統(tǒng)，其天線尺寸較小。26

第三部分電磁波傳播損耗的計算PART030327在感應耦合方式和電磁反向散射方式的RFID系統(tǒng)中，電磁波傳播過程中都存在損耗，但損耗的大小不同。感應耦合方式主要用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)。電子標簽和閱讀器之間的距離很小，所以電磁波傳播的損耗不會太大。電磁反向散射方式主要用于高頻和微波射頻識別系統(tǒng)。電子標簽與閱讀器之間的距離較大，因此電磁波在自由空間傳播的損耗較大。本節(jié)主要是計算和分析自由空間的傳輸損耗情形。前言28自由空間中的傳輸損耗

自由空間中的傳輸損耗是指隨著天線輻射的電磁波傳播距離的增加，能量自然擴散所引起的損耗，它反映了球面波的擴散損耗。

自由空間的傳輸損耗如下：29

式中的單位是dB，f的單位是MHz，d的單位是km。計算示例例子：某射頻信號的頻率為433MHz，閱讀器和電子標簽的距離為20米，計算電波傳輸損耗。30

式中的單位是dB，f的單位是MHz，d的單位是km。結果：32.45+20lg433+20lg0.02=51.2dB思考：某射頻信號的頻率為5.8GHz，閱讀器和電子標簽的距離為100米，計算電波傳輸損耗。自由空間傳輸損耗的仿真

該公式適合微波中任意頻率和距離的傳輸損耗的計算，例如，可以用Matlab計算1m、2m、……、20m等20個距離條件下，對應頻率為100MHz的閱讀器與電子標簽之間的電波傳輸損耗，如右圖所示。31微波傳輸損耗的計算分析

從圖中可以看到，使用Matlab可以方便地計算不同參數(shù)條件下地微波傳輸損耗情況，在圖中的參數(shù)情形下，距離越大，傳輸損耗越大。32電磁波的傳播情形分析

當存在障礙物時，射頻識別的無線傳播會產(chǎn)生多種情況，如直射、反射、衍射和散射，這些都是在不同的傳播環(huán)境中產(chǎn)生的。一般來說，天線和天線之間沒有障礙物是微波通信的理想情形。微波射頻識別的頻率主要有433MHz、800MHz、900MHz、2.45GHz、5.8GHz等，其中433MHz和800MHz、900MHz具有較強的衍射能力，障礙物對無線電波傳播的影響很?。?.45GHz和5.8GHz電磁波波長較短，接收端之間最好沒有障礙物。33

第四部分電磁波傳播損耗的特征分析PART040434微波射頻識別的頻率主要有433MHz、800MHz、900MHz、2.45GHz、5.8GHz等，其中433MHz和800MHz、900MHz具有較強的衍射能力，障礙物對無線電波傳播的影響很小；2.45GHz和5.8GHz電磁波波長較短，接收端之間最好沒有障礙物。在電磁波傳輸中，影響信號衰減的因素很多，包括自由空間中的傳輸損耗、電磁波遇到障礙物時的振幅衰減、信號隨時間的隨機波動以及金屬導體對電磁波的吸收。其中，傳輸損耗可以從理論上分析和計算得到。本節(jié)對電磁波傳播損耗的特征進行了分析。前言35傳輸損耗的仿真

在電磁波傳輸中，影響信號衰減的因素很多，包括自由空間中的傳輸損耗、電磁波遇到障礙物時的振幅衰減、信號隨時間的隨機波動以及金屬導體對電磁波的吸收。其中，傳輸損耗可以從理論上分析和計算得到。對于常見的433MHz、900MHz、2.45GHz和5.8GHz射頻微波，可以用Matlab仿真0~100m連續(xù)距離的傳輸損耗情況。36常見的頻率為433MHz的射頻信號的傳輸損耗曲線圖37常見的頻率為900MHz的射頻信號的傳輸損耗曲線圖38常見的頻率為2.45GHz的射頻信號的傳輸損耗曲線圖39常見的頻率為5.8GHz的射頻信號的傳輸損耗曲線圖40不同頻率的閱讀器與電子標簽之間的傳輸損耗比較

通過比較可以看出，微波在不同頻率下的傳輸損耗趨勢是一致的，即距離越大，損耗越大。通過比較不同頻率的差異可以看出，頻率越高，相同距離下的損耗越大。由于距離較短，無線電波的傳輸損耗曲線很陡。為了進行詳細的比較，我們可以進一步比較1m范圍內(nèi)不同頻率的損耗圖，如右圖所示。411m以內(nèi)短距離的不同頻率的閱讀器與電子標簽之間的傳輸損耗圖不同頻率的傳輸損耗的分析（1）

如圖3-8所示，頻率越高，損耗越大。如果微波損耗為90%，則傳輸?shù)竭_的能量已經(jīng)較弱。通過閱讀器與電子標簽之間的無線電波傳輸損耗曲線，可以獲得損耗