超高频电子标签在物联网中的应用

文/深圳市先施科技股份有限公司　倪荣生

　　射频自动识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）利用读写器与电子标签之间的短距离非接触通讯，快速自动读出所标识的物品的识别号和存储的信息，使各种物品信息都能采集到网络，是把物理世界与IT系统联系起来的桥梁。自动识别技术、通讯技术与互联网结合构成了物联网，使管理对象在网络的数字世界中找到它的映像，利用计算机和网络进行智能化的管理，提高经济运行效益和质量。

　　一、电子标签是实现物联网的关键

　　RFID系统包括电子标签和读写器二个部份。电子标签要附着在物联网每个待识别的物品上，使用量大，技术复杂，要求高；同时电子标签的成本低、体积小、使用方便、可靠性高和使用寿命长，可以在被标识的物体静止或运动的情况下工作、耐受户外恶劣环境等，是物联网识别管理对象，采集信息的主要手段，是实现物联网的关键技术。

　　物联网的推广形成了电子标签的巨大需求，反过来，市场的快速增长又促进了多种多样的电子标签开发和产业化，满足各种行业需要。

　　我国经济的高速发展及企业国际化进程的加快，为物联网和RFID产业的发展带来了难得的机遇，研发低成本、高效率、高安全性的电子标签是整个RFID和物联网产业发展的关键和核心。

　　电子标签的产业链包括芯片设计与制造、标签天线的设计与Inlay的加工、标签基材的设计和生产制造、标签外壳的设计和生产制造，电子标签的组装、标签自动化印刷等，每一个电子标签技术链中细分的领域，均有大量的公司或企业参与。根据“中国射频识别（RFID）技术政策白皮书”的精神，必须采用技术上引进和自主创新相结合，引用国际标准与制定国内标准相结合的方法，发展含有自主知识产权的电子标签产业。从技术上逐步攻破电子标签产业化生产所面临的关键问题，推动全国RFID产业健康有序的发展，为物联网产业的发展提供技术支撑。

　　目前物联网应用领域和规模一直处于发展之中，电子标签因应用场合不同，有着多种多样不同的要求，应用领域和规模的发展，促进了电子标签的技术发展。

　　二、超高频电子标签应用已成为物联网发展的必然趋势

　　在物联网应用中，物流、交通、设备和防伪管理需要的远距离应用将占大多数，物联网管理的对象如行驶中的车辆、传送带上的行李、流水线上的工件等，有动有静，读写器难于对运动或移动物体贴近读写，需要使用远距离电子标签和读写器，离开待处理的物体数米或十余米外距离，在不影响它们运动的条件下，完成运动物体信息的自动采集。

　　工作频率在13.56MHz或更低的范围的近程RFID系统，依靠电子标签的线圈与读写器收发线圈互相感应，通过磁场耦合实现的信息交流。通讯距离不可能很远，一般只能在数厘米。有的把读写器线圈做得很大，距离也很难超过一米。

　　要增大自动识别系统的通讯距离，只有提高频率。只有当通讯的无线电波的半波长接近或小于电子标签的尺寸时，才能在电子标签上做出可幅射电磁波的天线。远距离自动识别系统都工作在超高频和微波频段。按照国际标准组织的规定，有工作于UHF（Utra-High Frequency）和2.45GHz频段的二种无源远距离RFID系统。超高频系统的作用距离比2.45GHz系统要远得多，可在10米以上。

　　超高频已成为物联网的主要工作频段。

　　三、随着标签电路功耗降低，无源RFID标签成为主流

　　无源电子标签采用可靠性极高的单片集成电路，可做成只有零点几毫米厚，名片大小的薄卡，甚至做在柔性纸质行李标签中，不需要寿命有限的电池，体积小，寿命长，成本低，可靠性高，满足了物联网的要求。

　　但是RFID系统的发射功率受国家安全标准的限制，不能随意提高。为了保证读写器天线的“视场”的覆盖范围，波束不能让过窄。要保证足够的作用距离，最根本的是要减少电子标签电路的能耗，提高基站的接收灵敏度。

　　RFID技术发展早期，电子标签的电路由分立元件组装而成，功耗大，必须采用有源技术，用电池供电。近年来，集成电路工艺和设计的改进，微功耗芯片出现，电子标签电路能耗逐年降低。九十年代中期，采用5V集成逻辑电路工艺，电子标签的消耗电量约为55毫瓦，作用距离只能一米多一点。2003年10月NXP公司的UCODE G2芯片达50μW，2007年12月NXP公司的UCODE G2X芯片达30μW。现已小于20微瓦，使无源电子标签的灵敏度水平有进一步提高，用Alien新EPC Gen 2芯片制作出的抗金属演示标签M-tag，读取距离竟然达到了惊人的30米，这几乎是EPC Gen 2协议标准要求的三倍!现在电子标签技术已由有源技术为主，发展到以无源技术为主。

　　四、超高频电子标签天线的设计

　　电子标签天线的设计决定了辐射的电磁波束的形状，也就决定了RFID系统的工作范围。同时标签天线的设计受载波频率、载体尺寸、标签封装材料形式、性能和组装成本等多种因素约束。

　　物联网用的超高频电子标签的天线设计最困难之点是：这些标签要嵌入或附着在不同形状和类型的物体上。标签所附的物体也是电子标签天线的一部分。天线特性同时受到所标识物体的形状以及物理特性、标签周围物体的距离、承载物体的介电常数、承载物体金属表面的反射特性、局部结构等因素的影响。使用环境的多样性和不确定性，带来了天线设计和集成结构的多样性和复杂性。特别要注意的是电子标签用于塑料、玻璃、陶瓷和纸箱不同表面时，材料的介电特性不同，工作频率和天线形式相同的标签天线尺寸是不同的，所以不能随便把贴在玻璃上用的标签随便用到纸箱上。标签天线要足够的小，能够贴到需要的物品上。

　　在超高频RFID系统中，电子标签可选的天线形式有偶极子天线、折叠偶极子天线。一般偶极子天线长度应为半个波长，在900MHz工作频率时约为15厘米，这对大多数应用来说太长了。为缩短长度，使用变形耦极子天线，将偶极子天线折叠，在保证仍旧谐振在工作频率的条件下缩短尺寸，图为NXP公司提供的一个小型天线。

图2：NXP公司小型标签天线（32.5mm X 20.5mm）

　　另外还有微带天线、隙缝天线等几种形式，前几种天线是线极化的，但是微带天线可以是线极化或是圆极化的。