標籤和閱讀器：RFID 的工作原理以及如何設計您的第一個 RFID 標籤天線
射頻識別 (RFID) 已經存在了 50 多年，在過去的十年中，它終於便宜到可以大規模生產並放置在日常物品中。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 實現了與信用卡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 標籤天線電路。
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 標籤，以及解碼和解釋標籤上數據的閱讀器。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 標籤中。標籤要麼是電池供電的，要麼是被動的。
- 當標籤進入掃描天線的範圍內時，電磁 (EM) 能量會觸發標籤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並發送到閱讀器，閱讀器將這些無線電波解碼為數字信息。
標籤與閱讀器通信以共享數據。（圖片來源）
RFID標籤分為主動和被動兩種類型之一：
標籤通常包含天線和微晶元。（圖片來源）
有源 RFID 標籤
有源 RFID 標籤使用內部電池電源為其電路供電並發送無線電信號。由於它們的電池電量，有源標籤可以在 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。
優點 | 缺點 |
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無源 RFID 標籤
無源 RFID 標籤沒有電池電源，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，由於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籤。
優點 | 缺點 |
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所有 RFID 標籤都按其世代和類別分類。當前的 Gen-2 RFID標籤於 2004 年 12 月採用，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
- 先進的防衝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 標籤類別範圍從 0 類到 5 類，並定義了可用的功能。課程詳情包括：
班級 | 功能性 |
0級 | UHFI 只讀、預編程無源標籤 |
1級 | 超高頻或高頻，一次寫入，多次讀取（WORM） |
2 級 | 可隨時寫入的被動讀寫標籤 |
3 級 | 帶有用於記錄溫度、壓力和運動的感測器的無源或有源讀寫標籤。 |
第 4 類 | 帶有集成發射器的有源讀寫標籤，可以與其他標籤和閱讀器進行通信。 |
5級 | 可以為其他標籤供電並與閱讀器以外的外部設備通信的有源讀寫標籤。 |
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，但這並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。製造有源和無源 RFID 標籤的成本已大幅下降，這使得它們可用於一次性消費產品。
- 讀寫能力。條碼只能寫入一次數據，但 RFID 標籤可以根據 2 類及以上標籤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 標籤，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衝突問題。這已通過 Gen-2 改進的防衝突協議得到改進。
- 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 多英尺外讀取標籤。
- 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
由於其較低的製造成本，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 標籤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並跟蹤庫存水平。
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）
地鐵通票和收費站。
RFID 標籤通常被添加到收費站和地鐵通行證。這允許通勤者刷卡並自動扣除車費。
許多收費站現在都在實施 RFID 技術。（圖片來源）
防盜
像定製吉他這樣的高價奢侈品現在都嵌入了 RFID 標籤。然後與當地執法部門、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 晶元。（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 天線標籤電路
在設計 RFID 系統時，工程師通常會將現有的標籤微晶元（如STMicroelectronics ST25）與定製天線結合使用。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
在設計定製天線之前，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於每個國家。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。
- 用作交通票的 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籤粘合在一起的 RFID 標籤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晶元和天線如何在典型電路中組合在一起：
（圖片來源）
晶元
- 晶元電路以R晶元為參考，表示與電容C tun並聯的電流消耗
- C tun定義了晶元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。您使用什麼形狀將取決於您的設計要求。以下是可用於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 取決於您的天線布局，值請參見下表
布局 | K1 | K2 |
正方形 | 2.34 | 2.75 |
六角形 | 2.33 | 3.82 |
八角形 | 2.25 | 3.55 |
閱讀完整的應用說明
我們上面介紹的細節只是設計定製 RFID 標籤天線的表面。請務必閱讀 STMicroelectronics 的完整應用說明，了解如何為 ST25 RFID 標籤設計 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籤上的信息，這些標籤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，但未來會是什麼樣子？
