RFID 工作原理和天线设计
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射频识别 (RFID) 已经存在了 50 多年，在过去的十年中，它终于便宜到可以大规模生产并放置在日常物品中。这为想要了解射频和天线设计的电子设计人员提供了一些新机会。虽然 RFID 实现了与信用卡上的条码或磁条相同的功能，但它有一些独特的用例，值得学习和设计。在此博客中，我们将介绍 RFID 的工作原理以及如何创建自己的 RFID 标签天线电路。
RFID 的工作原理
RFID 系统由三部分组成：扫描天线、包含产品所有信息的 RFID 标签，以及解码和解释标签上数据的阅读器。这三个部分适合一个过程，其中：
数据首先以只读或读写格式存储在 RFID 标签中。标签要么是电池供电的，要么是被动的。当标签进入扫描天线的范围内时，电磁 (EM) 能量会触发标签开始以无线电波的形式发送数据。这些无线电波被天线接收并发送到阅读器，阅读器将这些无线电波解码为数字信息。
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标签与阅读器通信以共享数据。（图片来源）
RFID标签分为主动和被动两种类型之一：
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标签通常包含天线和微芯片。（图片来源）
有源 RFID 标签
有源 RFID 标签使用内部电池电源为其电路供电并发送无线电信号。由于它们的电池电量，有源标签可以在 805 到 950 MHz 的更高频率上进行广播。这使它们可以从最远 100 英尺的地方进行扫描。
优点
缺点
可以远距离阅读通常包括额外的传感器更高的带宽能力自主联网能力可以进行自我诊断
电池寿命有限制造成本更高更大的占地面积更高的维护成本电池断电可能导致误读数据
无源 RFID 标签
无源 RFID 标签没有电池电源，依靠天线的电磁耦合供电。这使它们的阅读距离更短，最多可达 20 英尺。但是，由于它们的电路中的组件较少，因此它们的生产和一次性使用也更便宜。这是您可以在消费级产品中找到的那种标签。
优点
缺点
使用寿命长，20 年以上制造成本更低占地面积更小
只能近距离阅读基本功能，无需添加传感器任何 RFID 阅读器都可以读取标签
所有 RFID 标签都按其世代和类别分类。当前的 Gen-2 RFID标签于 2004 年 12 月采用，与 Gen-1 相比具有多项优势，包括：
与所有 RFID 系统的互操作性，第一个全球标准比 Gen-1 更快的读取速度先进的防冲突协议提供精确的性能提高安全性和隐私性多个阅读器的物理部署更容易
RFID 标签类别范围从 0 类到 5 类，并定义了可用的功能。课程详情包括：
班级
功能性
0级
UHFI 只读、预编程无源标签
1级
超高频或高频，一次写入，多次读取（WORM）
2 级
可随时写入的被动读写标签
3 级
带有用于记录温度、压力和运动的传感器的无源或有源读写标签。
第 4 类
带有集成发射器的有源读写标签，可以与其他标签和阅读器进行通信。
5级
可以为其他标签供电并与阅读器以外的外部设备通信的有源读写标签。
RFID的优缺点
RFID 无线技术为物流、库存控制和零售行业带来了巨大的好处，但这并不意味着它是一项完美的技术。然而，与条形码和其他手动扫描系统相比，RFID 具有一些明显的优势，包括：
同时扫描多个项目。与一次只能处理一件物品的光学扫描仪相比，RFID 系统可以一次扫描所有传入的物品。降低成本。制造有源和无源 RFID 标签的成本已大幅下降，这使得它们可用于一次性消费产品。读写能力。条码只能写入一次数据，但 RFID 标签可以根据 2 类及以上标签的需要进行多次更新。没有视线问题。与光学扫描仪不同，扫描物品时没有视线要求。这使得 RFID 成为高效工业环境的理想选择。
RFID 的缺点分为两类，与 RFID 实施和安全/隐私使用相关的技术问题。
RFID可以被打乱。在电磁频谱上使用正确频率的人可能会干扰 RFID 系统。您还可以连续读取电池供电的 RFID 标签，直到其断电。读卡器碰撞问题。需要仔细设置系统以避免多个信号重叠的任何冲突问题。这已通过 Gen-2 改进的防冲突协议得到改进。可以远距离阅读。大多数 RFID 系统设计为在小距离内工作。但是，使用高增益天线，您可以在无人知晓的情况下从 100 多英尺外读取标签。未经许可即可阅读。当我们开始将 RFID 嵌入到服装和消费品等日常用品中时，我们也受到商店扫描我们携带的每件物品以防盗窃的摆布。这是隐私问题，还是只是便利的成本？
RFID用例
由于其较低的制造成本，RFID 的用途正在遍及各种行业和环境。我们今天看到的一些最常见的应用包括：
零售和库存控制
RFID 标签贴在零售店的服装和其他消费品上。这使员工无需处理条形码即可扫描物品并跟踪库存水平。
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像沃尔玛这样的零售巨头正在将 RFID 整合到他们的零售供应链中。（图片来源）
地铁通票和收费站。
RFID 标签通常被添加到收费站和地铁通行证。这允许通勤者刷卡并自动扣除车费。
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许多收费站现在都在实施 RFID 技术。（图片来源）
防盗
像定制吉他这样的高价奢侈品现在都嵌入了 RFID 标签。然后与当地执法部门、经销商和维修店共享此库存，以帮助防止盗窃。
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这把 Gibson 吉他的桁架杆下方的小点是一个 RFID 芯片。（图片来源）
这些只是 RFID 众多用途中的一小部分。未来，这项技术将被证明是亚马逊 Go等概念零售购物体验的主要颠覆者。RFID 的其他一些用例包括：
人和动物追踪NFC非接触式支付旅行证件医疗数据管理跟踪集装箱和铁路车辆
设计您的第一个 RFID 天线标签电路
在设计 RFID 系统时，工程师通常会将现有的标签微芯片（如STMicroelectronics ST25）与定制天线结合使用。在本节中，我们将介绍一些有关如何处理此天线设计过程的实用技巧，以及应用说明中的更多详细信息。
了解您的申请频率
在设计定制天线之前，您需要了解应用的频率。几乎所有的 RFID 系统都在两个较低频段运行，即 13.56 MHz 或 125 KHz，这两种频段几乎都适用于每个国家。在 13.56 MHz 频段内，您的应用可分为：
远程（LR）。这些产品的调谐频率在 13.6 MHz 和 13.7 MHz 之间。标准短程（SR）。这些产品的调谐频率在 13.6 MHz 和 13.9 MHz 之间。用作交通票的 SR 产品在 14.5 MHz 和 15 MHz 之间转换。
要确定应用的频率，您还需要考虑设备的材料和环境。例如，使用粘合剂将纸质标签粘合在一起的 RFID 标签会将天线频率降低约 300 KHz。这种降低使得有必要将天线调谐到 13.9 MHz，而不是指定的 13.6 MHz。
参考等效电路模型
许多天线设计应用笔记将包含一个等效电路模型，您可以在自己设计时遵循该模型。下面的示意图显示了芯片和天线如何在典型电路中组合在一起：
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（图片来源）
芯片
芯片电路以R芯片为参考，表示与电容C tun并联的电流消耗C tun定义了芯片的内部调谐电容和内部寄生参数。
天线
蚂蚁。_ 确定杂散电容蚂蚁。_ 确定电阻损失蚂蚁。_ 确定自感
确定天线线圈的电感
在 13.56 MHz 时，您的天线设计将是圆形、螺旋形或方形。您使用什么形状将取决于您的设计要求。以下是可用于快速确定特定天线类型的电感的三个公式：
圆形天线电感
r 是以毫米为单位的平均线圈半径R 0是以毫米为单位的导线直径N是匝数0 = 4π x 10 -7 H/mL 以亨利为单位螺旋天线电感
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d 是以毫米为单位的平均线圈直径c 是绕组的厚度，以微米为单位N是匝数0 = 4π x 10 -7 H/mL 以亨利为单位方形天线电感
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d 是平均线圈直径d = (d out + d in ) / 2 以毫米为单位，其中 d out = 外径，d in = 内径p = (d out – d in ) / (d out + d in ) 以毫米为单位K1 和 K2 取决于您的天线布局，值请参见下表
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
阅读完整的应用说明
我们上面介绍的细节只是设计定制 RFID 标签天线的表面。请务必阅读 STMicroelectronics 的完整应用说明，了解如何为 ST25 RFID 标签设计 13.56 MHz 天线。
无线魔法
RFID 利用无线电波来读取和捕获存储在标签上的信息，这些标签可以附加到各种物体上。从高价吉他到宠物和集装箱，RFID 的用途几乎是无限的。这项技术有望在未来替代标准条码和磁条，但未来会是什么样子？
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