无源标签射频识别基础第三部分.PDF

无源标签射频识别基础：第三部分 反向散射射频链路以及链路的功耗预算 作者：Daniel M. Dobkin 尽管本书摘自重点介绍 RFID 应用的《The RF in RFID:Passive UHF RFID in Practice》一书，但是， 它是掌握 RF 基础的极好的初级读本。第一部分覆盖电磁波、信号电压以及功率；第二部分介绍 调制和复用。 这一部分概要介绍反向射频链路以及链路功耗预算。 反向散射射频链路 无源以及半无源 RFID 标签不采用射频发射器，取而代之的是，它们采用对来自标签天线的反射 功率进行调制。自从上世纪三十年代雷达开始发展以来，物体对无线电波的反射一直是科学家积 极研究的课题，而从 1949 年 Harry Stockman 的工作开始，人们采用反向散射无线电进行通信。 在如图 3.14 所示的电路当中，可以非常简单的方式掌握反向散射调制的原理：发射天线的电流导 致在接受天线上感应出电压。如果天线被连接到一个负载，而该负载对电流的阻碍作用很小，那 么，在接受天线上感应出电流似乎就是合理的。 3.14 反向散射信号传输的简化物理过程。 在图中描述了一种可能最小的负载——即短路。这样感应出来的电流与从发射天线——最初发射 信号的地方——上感应出来的电流没有区别，它导致电磁辐射。电磁理论的原则——互惠原则， 在平常的世界中几乎总是有效的，它说的是任何接收电波的结构也均能发射电波。辐射波可以返 回到发射天线，感应出一个电压，因此，产生一个可以被检测的信号：即反向散射信号。另一方 面，如果天线与地之间的负载容许很少电流流过(即负载电阻很大) ，那么，产生很少或没有感应 电流似乎就是合理的。在图3.14 中，我们显示了可能最大的负载，即开路(根本没有连接) 。因为 导致辐射的是天线上的电流，所以，在这种情形下没有反向散射信号。因此，在发射天线上的信 号对连接到接收天线的负载敏感。 为了利用这一配置构建实际的通信链路，我们可以在天线负载上接一只三极管( 图3.15) 。当三极 管的栅极触点被保持在合适的电势时，三极管被打开，电流轻易地流过沟道，类似于短路的情况。 当三极管的栅极关闭时，沟道变为足够地绝缘。因为在天线上感应出电流，因此，在读卡器上接 收到的反向散射波取决于呈现给天线的负载，这种配置创建了读卡器上的已调制反向散射波。 即使发射到读卡器的信号频率可能在 915MHz，但是，呈现给三极管的调制信号是频率至多为几 百 KHz 的低频基带信号。对反向散射链路的利用意味着在标签中的调制开关电路仅仅需要工作在 相对于数据最适中的频率上，从而节省成本和功率。(真正的 RFID 标签 IC 并不是如此简单，取 而代之的是可能采用电容的微小变化来调制天线的电流。) 图 3.15：利用三极管作为开关的已调反向散射电路。 注意：为了实现一种反向散射配置，读卡器必须发射一种信号。在许多的无线电系统中，当接收 器试图捕获信号时发射器会关闭，这种配置被称为半双工方式，以区别于发射器与接收器可能同 时工作的全双工方式。 在无源 RFID 系统中，发射器本身不关闭，取而代之的是，在接收器收听标签信号时发射载波(CW) 。 RFID 射频利用称为环路器或耦合器的专用元器件，从而只让反射信号进入接收器，而这些信号可 能被巨大的发射信号抑制。然而，在单一天线系统中，来自读卡器的发射信号把它自己的天线信 号反射回接收器，而来自天线的发射波在附近的物体，如书桌、工作台、人群、咖啡杯、金属箱 以及所有其它充满在真实环境中的杂物—中反射，除了我们正试图看到的可怜的小标签天线之外。 图 3.16 除了从想要的标签中获得的反射波之外，真实的环境产生许多反射波。 如果采用两幅天线(一付用于发射，另一付用于接收) ，那么，通常依然存在从一付天线直接泄漏 至另一付天线的一些信号功率，以及在附近环境中来自各种物体的寄生反射。在接收器上的总信 号是所有这些反射信号的向量和，其中，大多数反射比想要的标签信号要大，并具有一定的幅度 和相位，其中大多数是不可预知的。因此，在标签天线上，给定的负载变化对接收信号的实际影 响是完全不可预测和不可控制的。例如，调制标签天线电流的