RFID 工作原理和天線設計

標簽和閱讀器：RFID 的工作原理以及如何設計您的第一個 RFID 標簽天線

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

RFID 的工作原理

RFID 系統由三部分組成：掃描天線、包含產品所有信息的 RFID 標簽，以及解碼和解釋標簽上數據的閱讀器。這三個部分適合一個過程，其中：

• 數據首先以只讀或讀寫格式存儲在 RFID 標簽中。標簽要么是電池供電的，要么是被動的。

• 當標簽進入掃描天線的范圍內時，電磁 (EM) 能量會觸發標簽開始以無線電波的形式發送數據。

• 這些無線電波被天線接收并發送到閱讀器，閱讀器將這些無線電波解碼為數字信息。

標簽與閱讀器通信以共享數據。（圖片來源）

RFID標簽分為主動和被動兩種類型之一：

標簽通常包含天線和微芯片。（圖片來源）

有源 RFID 標簽

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

無源 RFID 標簽

無源 RFID 標簽沒有電池電源，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 20 英尺。但是，由于它們的電路中的組件較少，因此它們的生產和一次性使用也更便宜。這是您可以在消費級產品中找到的那種標簽。

所有 RFID 標簽都按其世代和類別分類。當前的 Gen-2 RFID標簽于 2004 年 12 月采用，與 Gen-1 相比具有多項優勢，包括：

• 與所有 RFID 系統的互操作性，第一個全球標準

• 比 Gen-1 更快的讀取速度

• 先進的防沖突協議提供精確的性能

• 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：

RFID的優缺點

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

• 同時掃描多個項目。與一次只能處理一件物品的光學掃描儀相比，RFID 系統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 標簽的成本已大幅下降，這使得它們可用于一次性消費產品。

• 讀寫能力。條碼只能寫入一次數據，但 RFID 標簽可以根據 2 類及以上標簽的需要進行多次更新。

• 沒有視線問題。與光學掃描儀不同，掃描物品時沒有視線要求。這使得 RFID 成為高效工業環境的理想選擇。

RFID 的缺點分為兩類，與 RFID 實施和安全/隱私使用相關的技術問題。

• 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。您還可以連續讀取電池供電的 RFID 標簽，直到其斷電。

• 讀卡器碰撞問題。需要仔細設置系統以避免多個信號重疊的任何沖突問題。這已通過 Gen-2 改進的防沖突協議得到改進。

• 可以遠距離閱讀。大多數 RFID 系統設計為在小距離內工作。但是，使用高增益天線，您可以在無人知曉的情況下從 100 多英尺外讀取標簽。

• 未經許可即可閱讀。當我們開始將 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和環境。我們今天看到的一些最常見的應用包括：

零售和庫存控制

RFID 標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鏈中。（圖片來源）

地鐵通****和收費站。

RFID 標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。

許多收費站現在都在實施 RFID 技術。（圖片來源）

防盜

像定制吉他這樣的高價奢侈品現在都嵌入了 RFID 標簽。然后與當地執法部門、經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

• 醫療數據管理

• 跟蹤集裝箱和鐵路車輛

設計您的第一個 RFID 天線標簽電路

在設計 RFID 系統時，工程師通常會將現有的標簽微芯片（如STMicroelectronics ST25）與定制天線結合使用。在本節中，我們將介紹一些有關如何處理此天線設計過程的實用技巧，以及應用說明中的更多詳細信息。

了解您的申請頻率

在設計定制天線之前，您需要了解應用的頻率。幾乎所有的 RFID 系統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，您的應用可分為：

• 遠程（LR）。這些產品的調諧頻率在 13.6 MHz 和 13.7 MHz 之間。

• 標準短程（SR）。這些產品的調諧頻率在 13.6 MHz 和 13.9 MHz 之間。

• 用作交通****的 SR 產品在 14.5 MHz 和 15 MHz 之間轉換。

要確定應用的頻率，您還需要考慮設備的材料和環境。例如，使用粘合劑將紙質標簽粘合在一起的 RFID 標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

許多天線設計應用筆記將包含一個等效電路模型，您可以在自己設計時遵循該模型。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：

（圖片來源）

芯片

• 芯片電路以R芯片為參考，表示與電容C tun并聯的電流消耗

• C tun定義了芯片的內部調諧電容和內部寄生參數。

天線

• 螞蟻。_ 確定雜散電容

• 螞蟻。_ 確定電阻損失

• 螞蟻。_ 確定自感

確定天線線圈的電感

在 13.56 MHz 時，您的天線設計將是圓形、螺旋形或方形。您使用什么形狀將取決于您的設計要求。以下是可用于快速確定特定天線類型的電感的三個公式：

圓形天線電感

r 是以毫米為單位的平均線圈半徑R 0是以毫米為單位的導線直徑N是匝數0 = 4π x 10 -7 H/mL 以亨利為單位螺旋天線電感

d 是以毫米為單位的平均線圈直徑c 是繞組的厚度，以微米為單位N是匝數0 = 4π x 10 -7 H/mL 以亨利為單位方形天線電感

• d 是平均線圈直徑

• d = (d out + d in ) / 2 以毫米為單位，其中 d out = 外徑，d in = 內徑

• p = (d out – d in ) / (d out + d in ) 以毫米為單位

• K1 和 K2 取決于您的天線布局，值請參見下表

閱讀完整的應用說明

我們上面介紹的細節只是設計定制 RFID 標簽天線的表面。請務必閱讀 STMicroelectronics 的完整應用說明，了解如何為 ST25 RFID 標簽設計 13.56 MHz 天線。

無線魔法

RFID 利用無線電波來讀取和捕獲存儲在標簽上的信息，這些標簽可以附加到各種物體上。從高價吉他到寵物和集裝箱，RFID 的用途幾乎是無限的。這項技術有望在未來替代標準條碼和磁條，但未來會是什么樣子？