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

射頻識(shí)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(jì)的電子設(shè)計(jì)人員提供了一些新機(jī)會(huì)。雖然 RFID 實(shí)現(xiàn)了與****上的條碼或磁條相同的功能，但它有一些獨(dú)特的用例，值得學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。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(gè)部分適合一個(gè)過程，其中：

• 數(shù)據(jù)首先以只讀或讀寫格式存儲(chǔ)在 RFID 標(biāo)簽中。標(biāo)簽要么是電池供電的，要么是被動(dòng)的。

• 當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入掃描天線的范圍內(nèi)時(shí)，電磁 (EM) 能量會(huì)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(dòng)和被動(dòng)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(hào)。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。

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(fèi)級(jí)產(chǎn)品中找到的那種標(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(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括：

• 與所有 RFID 系統(tǒng)的互操作性，第一個(gè)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(gè)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：

RFID的優(yōu)缺點(diǎn)

RFID 無線技術(shù)為物流、庫(kù)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(xiàng)完美的技術(shù)。然而，與條形碼和其他手動(dòng)掃描系統(tǒng)相比，RFID 具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：

• 同時(shí)掃描多個(gè)項(xiàng)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(fèi)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(shí)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(diǎn)分為兩類，與 RFID 實(shí)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(huì)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(gè)信號(hào)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(jì)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(fèi)品等日常用品中時(shí)，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(kù)存控制

RFID 標(biāo)簽貼在零售店的服裝和其他消費(fèi)品上。這使員工無需處理?xiàng)l形碼即可掃描物品并跟蹤庫(kù)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(fèi)站。

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

許多收費(fèi)站現(xiàn)在都在實(shí)施 RFID 技術(shù)。（圖片來源）

防盜

像定制吉他這樣的高價(jià)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(kù)存，以幫助防止盜竊。

這把 Gibson 吉他的桁架桿下方的小點(diǎn)是一個(gè) 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(xiàng)技術(shù)將被證明是亞馬遜 Go等概念零售購(gòu)物體驗(yàn)的主要顛覆者。RFID 的其他一些用例包括：

• 人和動(dòng)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(jì)您的第一個(gè) RFID 天線標(biāo)簽電路

在設(shè)計(jì) RFID 系統(tǒng)時(shí)，工程師通常會(huì)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(jì)過程的實(shí)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(qǐng)頻率

在設(shè)計(jì)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(gè)較低頻段運(yùn)行，即 13.56 MHz 或 125 KHz，這兩種頻段幾乎都適用于每個(gè)國(guó)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(huì)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(jì)應(yīng)用筆記將包含一個(gè)等效電路模型，您可以在自己設(shè)計(jì)時(shí)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(lián)的電流消耗

• C tun定義了芯片的內(nèi)部調(diào)諧電容和內(nèi)部寄生參數(shù)。

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(shí)，您的天線設(shè)計(jì)將是圓形、螺旋形或方形。您使用什么形狀將取決于您的設(shè)計(jì)要求。以下是可用于快速確定特定天線類型的電感的三個(gè)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(dǎo)線直徑N是匝數(shù)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(shù)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(nèi)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(qǐng)參見下表

閱讀完整的應(yīng)用說明

我們上面介紹的細(xì)節(jié)只是設(shè)計(jì)定制 RFID 標(biāo)簽天線的表面。請(qǐng)務(wù)必閱讀 STMicroelectronics 的完整應(yīng)用說明，了解如何為 ST25 RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì) 13.56 MHz 天線。

無線魔法

RFID 利用無線電波來讀取和捕獲存儲(chǔ)在標(biāo)簽上的信息，這些標(biāo)簽可以附加到各種物體上。從高價(jià)吉他到寵物和集裝箱，RFID 的用途幾乎是無限的。這項(xiàng)技術(shù)有望在未來替代標(biāo)準(zhǔn)條碼和磁條，但未來會(huì)是什么樣子？