1.2 超高频RFID技术及标签介绍

超高频RFID技术是最近的研究热点。本节将从整个RFID技术入手，就RFID技术系统组成、标签分类一一介绍。

1.2.1 RFID技术的系统组成

一个典型的RFID系统基本结构如图1.3所示。一般包括标签（Tag）、读写器（Reader）和应用系统（Application System）三个部分。读写器通过射频信号给标签提供能量并“询问”标签，标签被激活后将其存储的标签信息发送给读写器，读写器再将读取的标签信息发送给应用系统以结合具体的应用背景进行数据的控制、存储及管理。

标签一般由标签天线与标签芯片组成。标签天线接收读写器发射过来的射频信号并转化为能量，获取的能量给标签芯片供电。当获取的能量足够时，标签芯片被激活，并根据读写器的询问指令完成相应的动作，将芯片上存储的标签信息通过反向散射调制的方法反射给读写器。每个标签具有唯一的电子编码，用于对附着物体的标志。标签能够储存有关物体的数据信息，一般约1kbits。在RFID管理系统中，每一个标签中对应着一个物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面，具有一定的无金属遮挡的视角。标签除了能被读取（Read）外，也可以被写入（Write）、锁定（Lock）或杀死（Kill）。

读写器由读写器主机及读写器天线组成。读写器主机主要实现读取信号的控制及射频信号的产生。产生的射频信号通过读写器天线发射给标签。标签的反射信号也通过读写器天线接收，并被读写器主机解析与识别。读写器一般有固定式与手持式两种形式。固定式的体积较大，但性能一般比较好；手持式的体积较小，便于手持读取，但性能要差些。至于是采用固定式还是手持式读写器，根据实际应用的需要进行选择。

应用系统主要负责对读写器的控制、设置，以及对读取标签信息的管理，并结合具体应用项目给出适当的判断与显示，或者对数据进行存储及管理。应用系统一般与计算机网络体系连接，网络体系的各层结构由各种RFID中间件控制和访问。

1.2.2 RFID标签分类

RFID标签可以按照能量获取的方法来分，也可以按照射频频率来分。按照能量获取的方法不同可以分为无源标签、有源标签及半有源标签；按照射频频率的不同可以分为低频标签、高频标签及超高频标签。

1.无源、有源及半有源标签

根据标签上是否带有电池，可以将标签分为无源标签（Passive Tags）、有源标签（Active Tags）和半有源（Semi—active Tags）标签。无源标签也称为被动式标签，是通常意义上的RFID标签，即由读写器询问信号提供能量，标签通过反射方式进行信号传输。无源RFID标签无须外加电池，当其处于读写器的有效读取范围内时，读写器产生的询问电磁波在RFID标签天线上产生的能量即可驱动芯片完成解码、解析、编码及反向调制等功能。与有源RFID标签相比，无源RFID标签体积更小、成本更低、寿命更长。但是，由于无源RFID标签自身不带电池，必须处于读写器有效读取范围内才能工作，因此其距离一般比较短。低频及高频RFID标签的读取距离只有几十厘米，超高频RFID标签最远也就十几米的范围。随着集成电路设计工艺的改进，更低功耗的标签芯片会被设计出来，到时其最大读取距离会更远些。

有源RFID标签也称为主动式标签。标签内装有电池，使用专用的射频芯片，一般具有较远的阅读距离（上百米），并定时主动发射信号。不足之处是电池的寿命有限（3～5年），而且有源电子标签的体积较无源的要大，成本要高，目前一般应用于车辆管理、航运管理及矿井管理等特殊的场合。

半有源RFID标签也称为半无源RFID标签。标签内部也有电池，但其电池只供接收或传感电路进行工作，标签的应答仍然与无源的方式相似，即反射调制。由于有电池辅助，半有源RFID标签的读取距离比无源RFID标签要远。而且，只需很少的能量就可以维持比较长的使用寿命。通过使用纸薄状电池，可以大大减小标签的体积。典型的代表有德国KSW公司制造的半有源的RFID智能标签传感器VarioSens Basic，它采用1.5V薄膜电池，使用时间约为1.5年。产品的主要应用领域为化学行业的化学品监控、医疗行业的药品和易腐烂食品的运输监测等。

无源标签、有源标签及半有源标签的工作原理如图1.4所示。由于无源标签、有源标签及半有源标签具有各自的成本或性能上的特征，因此其应用领域也各不一样。无源标签、有源标签及半有源标签的区别如表1.1所示。

表1.1 RFID有源、无源及半有源标签的区别

2.低频、高频及超高频标签

根据RFID系统使用的电磁波频率，可以将RFID标签分为低频标签、高频标签及超高频标签。如图1.5所示，按照频率的高低，RFID基本上处在低频（LF），高频（HF）及超高频（UHF）范围。

低频RFID系统主要频率为125kHz或134kHz，采用磁感应耦合的方式进行工作，耦合元件为感应线圈。主要应用于车辆管理、动物跟踪等。其读取距离根据读写器的天线大小及功率不同，一般从几厘米至几十厘米。标签一般都有磁芯结构，成本较高。由于工作频率比较低，标签及读写器之间数据的通信速率也比较低。

高频RFID系统主要频率为13.56MHz，也是采用磁感应耦合的方式进行工作，耦合元件也是线圈。与低频RFID标签相比，标签可以设计成卡装，成本较低，数据传输速率较高。因此，高频RFID标签在电子付费、门禁控制、电子车票等领域得以广泛的应用。其读取距离一般小于10cm。

超高频RFID系统主要频率为915MHz，另外也有433MHz和2.4GHz，采用的工作方式为电磁波传播耦合。读写器天线为标签提供射频能量，标签天线接收射频能量并将标签的电子编码信息通过反向散射调制的方式发送给读写器。标签工作在读写器天线的远场。最大读取距离一般大于lm，典型值为3～8m，最大可达10m。数据通信速率比较高，最高可达640kbit/s，一次性可以读取上千个标签。读写器天线一般为定向天线，只有在读写器天线波束范围内的标签才能被读取到。随着技术的发展和成本的不断降低，超高频RFID技术的应用越来越广泛。其在交通控制、物流管理、资产管理等领域潜力巨大。

磁感应耦合RFID系统与电磁波传播RFID系统的工作原理如图1.6所示。RFID低频标签、高频标签及超高频标签的区别如表1.2所示。

表1.2 RFID低频标签、高频标签及超高频标签的区别