《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(shù)與應(yīng)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(yuǎn)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(yuǎn)距離傳輸能力。在RFID的應(yīng)用中，可用的頻率范圍有限，因此需要根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行頻譜分配。頻譜分配是指根據(jù)不同的業(yè)務(wù)對頻率進(jìn)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(wù)

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(jī)構(gòu)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(wù)，具體應(yīng)用場景包括廣播業(yè)務(wù)、移動通信業(yè)務(wù)、無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)、定位業(yè)務(wù)、氣象業(yè)務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)頻率業(yè)務(wù)、工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療等應(yīng)用。其中，ISM頻段主要面向工業(yè)、科研、醫(yī)療機(jī)構(gòu)開放。ISM頻段屬于未經(jīng)授權(quán)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(yīng)考慮其他無線電業(yè)務(wù)，不得干擾其他業(yè)務(wù)。因此，RFID和ISM通常只用于工業(yè)和科學(xué)應(yīng)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)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(biāo)簽與閱讀器之間的通信方式和能量感應(yīng)方式，RFID系統(tǒng)可分為感應(yīng)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(yīng)耦合方式

感應(yīng)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(yīng)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(yīng)耦合方式下閱讀器與電子標(biāo)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(biāo)簽之間的感應(yīng)耦合模式的示意圖。18感應(yīng)耦合方式的特征

感應(yīng)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(biāo)簽的天線接收到來自閱讀器的電磁場信號并轉(zhuǎn)為電子標(biāo)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(biāo)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(dāng)電磁波以類似雷達(dá)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(dá)的電磁波的一部分能量將被電子標(biāo)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(jìn)一步進(jìn)行信號處理，以獲得電子標(biāo)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(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射的電磁波擊中目標(biāo)后會反射并攜帶目標(biāo)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(yīng)耦合模式的工作距離長，大多數(shù)超過4m。由于目標(biāo)的反射性能取決于頻率，一般情況下較高的頻率對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域都有應(yīng)用，其中有些重疊沖突，易受干擾，技術(shù)復(fù)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(biāo)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(yīng)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(yuǎn)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(yīng)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(yīng)耦合方式主要用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)。電子標(biāo)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(biāo)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(kuò)散所引起的損耗，它反映了球面波的擴(kuò)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(biāo)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(jié)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(biāo)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(yīng)頻率為100MHz的閱讀器與電子標(biāo)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)波動以及金屬導(dǎo)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(jìn)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(jī)波動以及金屬導(dǎo)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(biāo)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(jìn)行詳細(xì)的比較，我們可以進(jìn)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(biāo)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_(dá)的能量已經(jīng)較弱。通過閱讀器與電子標(biāo)簽之間的無線電波傳輸損耗曲線，可以獲得損耗