RFID技术的基本工作原理是什么?

RFID技术的基本工作原理并不复杂:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签),或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签),解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理1
一套完整的RFID系统, 是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量,用以驱动电路将内部的数据送出,此时Reader便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理2
以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成:感应耦合及后向散射耦合两种3
一般低频的RFID大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式4
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置,是RFID系统信息控制和处理中心5
阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成6
阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换,同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序7
在实际应用中,可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能8
应答器是RFID系统的信息载体,应答器大多是由耦合原件(线圈、微带天线等)和微芯片组成无源单元9
扩展资料:RFID技术中所衍生的产品大概有三大类:无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品10
1、无源RFID产品发展最早,也是发展最成熟,市场应用最广的产品11
比如,公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等,这个在我们的日常生活中随处可见,属于近距离接触式识别类12
其产品的主要工作频率有低频125KHZ、高频13.56MHZ、超高频433MHZ,超高频915MHZ13
2、有源RFID产品,是最近几年慢慢发展起来的,其远距离自动识别的特性,决定了其巨大的应用空间和市场潜质14
在远距离自动识别领域,如智能监狱,智能医院,智能停车场,智能交通,智慧城市,智慧地球及物联网等领域有重大应用15
有源RFID在这个领域异军突起,属于远距离自动识别类16
产品主要工作频率有超高频433MHZ,微波2.45GHZ和5.8GHZ3000字小论文格式
3、半有源RFID产品,结合有源RFID产品及无源RFID产品的优势,在低频125KHZ频率的触发下,让微波2.45G发挥优势18
半有源RFID技术,也可以叫做低频激活触发技术,利用低频近距离精确定位,微波远距离识别和上传数据,来解决单纯的有源RFID和无源RFID没有办法实现的功能19
简单的说,就是近距离激活定位,远距离识别及上传数据20
参考资料来源:百度百科-射频识别技术

rfid有几种类型,请详细描述它们的工作原理

RFID应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分,即位于ISM波段21
典型的工作频率有:125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz~928MHz、2.45GHz、5.8GHz等22
按照工作频率的不同,RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类23
不同频段的RFID工作原理不同,LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理,而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理24
目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段,低频(125KHz)、高频(13.54MHz)、超高频(850MHz~960MFz)和微波(2.45GHz)25
每一种频率都有它的特点,被用在不同的领域,因此要正确应用就要先选择合适的频率26
低频段射频标签,简称为低频标签,其工作频率范围为30kHz~300kHz27
典型工作频率有125KHz和133KHz28
低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得29
低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内30
低频标签的阅读距离一般情况下小于1米31
低频标签的典型应用有:动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等32
中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz33
典型工作频率为13.56MHz34
该频段的射频标签,因其工作原理与低频标签完全相同,即采用电感耦合方式工作,所以宜将其归为低频标签类中35
另一方面,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也常将其称为高频标签36
鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签,因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念,即不会造成理解上的混乱37
为了便于叙述,我们将其称为中频射频标签38
中频标签一般也采用无源为主,其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得39
标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内40
中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米41
中频标签由于可方便地做成卡状,广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统等42
超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签,其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz~928(960)MHz、2.45GHz、5.8GHz43
微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类44
工作时,射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式45
阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒46
相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m,典型情况为3m~8m,像YXUK5配合大天线最大可达40m以上47
阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写48
由于阅读距离的增加,应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况,从而提出了多标签同时读取的需求49
目前,先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征50
超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别,还可用于公路车辆识别与自动收费系统中51
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RFID电子标签电路组成及原理

一个完整超高频无源RFID标签由天线和标签芯片两部分组成,其中,标签芯片一般包括以下几部分电路: – 电源恢复电路 – 电源稳压电路 – 反向散射调制电路 – 解调电路 – 时钟恢复/产生电路 – 启动信号产生电路 – 参考源产生电路 – 控制单元 – 存储器 电源恢复电路 电源恢复电路将RFID标签天线所接收到的超高频信号通过整流、升压等方式转换为直流电压,为芯片工作提供能量52
电源恢复电路具有多种可行的电路结构53
如图2所示是目前常用的几种电源恢复电路[3][4]54
在这些电源恢复电路中,并不存在最理想的电路结构,每种电路都有各自的优点及缺陷[3]55
在不同的负载情况、不同的输入电压情况、不同的输出电压要求以及可用的工艺条件下,需要选择不同的电路以使其达到最优的性能56
图2(a)所示的多级二极管倍压电路,一般采用肖特基势垒二极管57
它具有倍压效率高、输入信号幅度小的优点,应用十分广泛[5]58
但是,一般代工厂的普通CMOS工艺不提供肖特基势垒二极管,在工艺的选择上会给设计者带来麻烦59
图2(b)是用接成二极管形式的PMOS管来代替肖特基二极管,避免了工艺上的特殊要求60
这种结构的倍压电路需要有较高的输入信号幅度,在输出电压较高时具有较好倍压效率61
图2(c)是传统的二极管全波整流电路62
与Dickson倍压电路相比,倍压效果更好,但引入了更多的二极管元件,功率转换效率一般略低于Dickson倍压电路63
另外,由于它的天线输入端与芯片地分离,从天线输入端向芯片看去,是一个电容隔直的全对称结构,避免了芯片地与天线的相互影响,适合于与对称天线(例如偶极子天线)相接64
图2(d)是许多文献提出的全波整流电路的CMOS管解决方案[4]65
在工艺受限的情况下,可以获得较好的功率转换效率,并且对输入信号幅度的要求也相对较低[3]66
在一般的无源UHF RFID标签的应用中,出于成本的考虑,希望芯片电路适合于普通CMOS工艺的制造67
而远距离读写的要求对电源恢复电路的功率转换效率提出了较高的要求68
为此,很多设计者采用标准CMOS工艺来实现肖特基势垒二极管[6],从而可以方便地采用多级Dickson倍压电路结构来提高电源转换的性能[3]69
图3所示是普通CMOS工艺制造的肖特基二极管结构示意图70
在设计中,不需要更改工艺步骤和掩膜板生成规则,只需在版图上作一些修改,就可以制作出肖特基二极管71
图4所示是在UMC 0.18um CMOS工艺下设计的几种肖特基二极管的版图72
它们的直流特性测试曲线如图5所示73
从直流特性的测试结果上可以看到,标准CMOS工艺制造的肖特基二极管具有典型的二极管特性,并且开启电压只有0.2V左右,非常适合应用于RFID标签74
3 电源稳压电路 在输入信号幅度较高时,电源稳压电路必须能保证输出的直流电源电压不超过芯片所能承受的最高电压;同时,在输入信号较小时,稳压电路所消耗的功率要尽量的小,以减小芯片的总功耗75
从稳压原理上看,稳压电路结构可以分为并联式稳压电路和串联式稳压电路两种76
并联式稳压电路的基本原理如图6所示77
在RFID标签芯片中,需要有一个较大电容值的储能电容存储足够的电荷以供标签在接收调制信号时,仍可在输入能量较小的时刻(例如OOK调制中无载波发出的时刻),维持芯片的电源电压78
如果输入能量过高,电源电压升高到一定程度,稳压电路中电压感应器将控制泄流源将储能电容上的多余电荷释放掉,以此达到稳压的目的79
图7是其中一种并联型稳压电路80
三个串联的二极管D1、D2、D3与电阻R1组成电压感应器,控制泄流管M1的栅极电压81
当电源电压超过三个二极管开启电压之和后,M1栅极电压升高,M1导通,开始对储能电容C1放电82
另外一类稳压电路的原理则是采用串联式的稳压方案83
它的原理图如图8所示84
基准电压源是被设计成一个与电源电压无关的参考源85
输出电源电压经电阻分压后与基准电压相比较,通过运算放大器放大其差值来控制M1管的栅极电位,使得输出电压与参考源基本保持相同的稳定状态86
这种串联型稳压电路可以输出较为准确的电源电压,但是由于M1管串联在未稳压电源与稳压电源之间,在负载电流较大时,M1管上的压降会造成较高的功耗损失87
因此,这种电路结构一般应用于功耗较小的标签电路中88
4 调制与解调电路 A.解调电路 出于减小芯片面积和功耗的考虑,目前大部分无源RFID标签均采用了ASK调制89
对于标签芯片的ASK解调电路,常用的解调方式是包络检波的方式,如图9所示[1]90
包络检波部分与电源恢复部分的倍压电路基本相同,但是不必提供大的负载电流91
在包络检波电路的末级并联一个泄电流源92
当输入信号被调制时,输入能量减小,泄流源将包络输出电压降低,从而使得后面的比较器电路判断出调制信号93
由于输入射频信号的能量变化范围较大,泄流源的电流大小必须能够动态的进行调整,以适应近场、远场不同场强的变化94
例如,如果泄流电源的电流较小,在场强较弱时,可以满足比较器的需要,但是当标签处于场强很强的近场时,泄放的电流将不足以使得检波后的信号产生较大的幅度变化,后级比较器无法正常工作95
在输入载波未受调制时,泄流管M1的栅极电位与漏极电位相同,形成一个二极管接法的NMOS管,将包络输出钳位在M1的阈值电压附近,此时输入功率与在M1上消耗的功率相平衡;当输入载波受调制后,芯片输入能量减小,而此时由于延时电路R1、C1的作用,M1的栅极电位仍然保持在原有电平上,M1上泄放的电流仍保持不变,这就使得包络输出信号幅度迅速减小;同样,在载波恢复后,R1和C1的延时使得包络输出可以迅速回复到原有高电平96
采用这种电路结构,并通过合理选择R1、C1的大小以及M1的尺寸,即可满足在不同场强下解调的需要97
包络输出后面所接的比较器电路也有多种可以选择的方案,常用的有迟滞比较器、运算放大器等98
也可以简化为用反相器来实现99
B.调制电路 无源UHF RFID标签一般采用反向散射的调制方法,即通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数,从而达到调制的目的100
一般设计天线阻抗与芯片输入阻抗使其在未调制时接近功率匹配,而在调制时,使其反射系数增加101
常用的反向散射方法是在天线的两个输入端间并联一个接有开关的电容,如图11所示,调制信号通过控制开关的开启,决定了电容是否接入芯片输入端,从而改变了芯片的输入阻抗102
5 启动信号产生电路 电源启动复位信号产生电路在RFID标签中的作用是在电源恢复完成后,为数字电路的启动工作提供复位信号103
它的设计必须要考虑以下几点问题[7]: – 如果电源电压上升时间过长,会使得复位信号的高电平幅度较低,达不到数字电路复位的需要; – 启动信号产生电路对电源的波动比较敏感,有可能因此产生误动作; – 静态功耗必须尽可能的低104
通常,无源RFID标签进入场区后,电源电压上升的时间并不确定,有可能很长105
这就要求设计的启动信号产生电路产生启动信号的时刻与电源电压相关106
图12所示是一种常见的启动信号产生电路[8]107
它的基本原理是利用电阻R0和NMOS管M1组成的支路产生一个相对固定的电压Va,当电源电压vdd超过NMOS管的阈值电压后,Va电压基本保持不变108
随着vdd的继续升高,当电源电压达到Va+|Vtp|时,PMOS管M0导通使得Vb升高,而此前由于M0截止,Vb一直处于低电平109
这种电路的主要问题是存在着静态功耗110
并且由于CMOS工艺下MOS管的阈值电压随工艺的变化比较大,容易受工艺偏差的影响111
因此,利用pn结二极管作启动电压的产生会大大减小工艺的不确定性,如图13所示112
当VDD上升到两个pn结二极管的开启电压之前,PMOS管M0栅极与电源电压相等,PMOS管关断,此时电容C1上的电压为低电平113
当VDD 上升到超过两个二极管阈值电压后,M0开始导通,而M1栅极电压保持不变,流过M1的电流保持不变,电容C1上电压逐渐升高,当其升高到反相器发生翻转后,就产生了启动信号114
因此,这种电路产生启动信号的时间取决于电源电压是否达到两个二极管的阈值电压,具有较高的稳定性,避免了一般启动电路在电源电压上升过慢时,会导致开启信号出现过早的问题115
如果电源电压上升的时间过快,电阻R1和M0的栅电容构成了低通延时电路,会使得M0的栅极电压不能迅速跟上电源电压的变化,仍然维持在低电平上,这时M0就会对电容C1充电,导致电路不能正确工作116
为解决这一问题,引入电容C5117
如果电源电压上升速度很快,电容C5的耦合作用能够使得M0的栅极电位保持与电源电压一致,避免了上述问题的发生118
该电路仍然存在的静态功耗的问题,可以通过增大电阻值,合理选择MOS管尺寸来降低静态功耗的影响119
要想完全解决静态功耗的问题则需要设计额外的反馈控制电路,在启动信号产生后关断这部分电路120
但是,需要特别注意引入反馈后产生的不稳定态的问题[7]121

最后修改日期: 2021年11月3日

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