如何改善超高频 RFID 系统性能

  随着物联网的发展，射频识别 RFID 技术在零售、食品溯源、交通运输、危险品运输、医疗卫生、智能电网、仓储管理、图书管理等领域的应用越来越广泛。各个行业的RFID的应用部署环境千差万别，无线的环境比较复杂，对超高频 RFID 系统的现场部署和调试带来了极大的挑战。阐述了超高频RFID系统的基本工作原理，系统的基本结构及其特点，结合超高频RFID系统项目，提出优化和改善系统稳定性、提高系统性能的方法。

  1、 RFID系统的构成

  射频识别(RFID)系统有四部分组成：读写器(含天 线)、RFID 标签、网关(含 MiddleWare 中间件)、企业服务器系统(由数据库与其他服务器组成)。与最基本的 RFID 系统相比，增添了网关服务器和企业后台系统。本地应用服务器利用 RFID 中间件以太网或串口收集 RFID 读写器所读取的信息和被标识的物体，然后通过互联网或本地网 络，保存到后台数据库，相当于一个应用网关。数据库和其 他服务器组成了企业的后台系统，它负责对整个 RFID 系统收集来的信息实施收集、汇总、计算、分析和选优等功能。它需要一个很强的行业应用系统来支撑。

  射频RFID识别原理框图

  天线辐射场

  根据天线与实测点位置不同分为无功近场区、辐射近场区和辐射远场区独立的区域。无功近场区即为电抗性近场(Reactive Field)。近场能量与辐射场两者的边界为：r= λ /2π，式中 r 为边界到天线的距离; λ 为电磁波的波长。 当满足以下条件时，即 r<< λ 2π ，该处的电磁场区域简称为近场。当满足以下条件时，即 r>> λ 2π，该区域的电磁场空间 简称为辐射远场。电磁场以电磁波的方式向空中传播，即电磁辐射，也称辐射场。

  近场和远场

  2、 超高频RFID 性能改善

  在实际应用中，超高频 RFID 系统基本上围绕读写器、电子标签、现场环境、还有天线四个角度改善系统的稳定性和写读成功率，使得系统稳定、经济、高性能的满足项目需求。

  2.1超高频 RFID 读写器的改进

  读写器在工作时，能量无法做到 100%转换效率。事实上，发射出去的能量一部分转化成热量，造成额外的损耗。超高频 RFID 读写器在长时间的工作中因为环境温度或本身温度的上升，设备性能有所下降。可以采用几种方式：

  一、散热结构不能进一步完善的情况下，增强设备散热能力，可以采用绝缘导热硅胶，还可以再加导热性能好的金属片。从元器件角度可以采用带有温度补偿的器件，如晶振(Crystal)和振荡器(Oscillator)，声表面滤波器的工作温度比较宽。放大器(PA)的工作纬度范围尽量大一点。

  二、从阻抗匹配的角度分析，在高频电路中，还要考虑反 射的问题。频率越高波长则越短，当传输线长度与波长接近时，在原信号上将叠加反射信号，从而改变原信号波形。 在阻抗失配时，反射在在系统负载端形成反射。传输线阻抗跟负载的特征阻抗理应相当，可以抑制产生反射，达到阻抗匹配的目标。若是不匹配，则能量无法传递过去，形成了反射，产生了驻波，降低了效率;能量不能及时发出，在某一处产生热量，严重时会损坏发射设备。若是 PCB(印刷电路板)上的负载阻抗与高速的信号线失配时，会产生信号反射，EMI 辐射等。

  三、超高频读写器参数设定，在很多项目部署中，需要超高频读写器读取的距离更远。最直接的方式是通过中间件增加读写器的发射功率，根据弗里斯传输公式，要增加读取距离，在发射天线的增益、接收天线的增益、接收天线、无线频率确定的情况下， 必须增大发射功率。如要读取的距离是原来的两倍，那么发射功率是之前的4倍，即 10log104=10*0.6=6dB。

  2.2 电子标签改善

  在超高频 RFID 项目实施中，电子标签所处环境的多 样化，标签的选择和优化对性能影响较大。金属环境中，当 普通的标签(Tag)贴在金属表面时，读写器很难读取到标 签信息。当标签接收到查询指令后，把内存中的电子编码 发送给读写器;同时无线电波在遇到金属表面时，也发生发射，导致反射功率过大，对读写器形成了干扰，标签无被识别到。无法改变金属的介质，可以改变金属和标签之 间的介质，同时把金属当做反射面，提高标签在金属上的 特性。另外可以采用抗金属标签，一种专门针对金属环境 场合特别优化。还有一种在标签和金属中间铺一层防磁性吸波材料.

金属表面标签示意图

  2.3 天线改善

天线极化示意图

  当 RDID 电子标签进入到超高频读写器的电磁场空间领域中，因电磁感应产生电流，维持自身工作，然后电子标签通过耦合器天线把信息回送到超高频读写器，阅读器收到信息后进行解调获取标签信息。天线在其中扮演着能 量传递的角色。影响天线有辐射场振幅和方向，方向性系数，天线阻抗匹配特性，天线效率，以及天线带宽。按照天线辐射时形成的电场强度方向不同，分为线极化天线和圆极化天线还有椭圆极化天线。实际应用中圆极化是理想状态，更多呈现的是椭圆极化状态。标签和天线的极化应该保持一致，不然能量有耗损，影响超高频 RFID 系统性能。

  2.4 现场环境

  对于标签要根据现场环境选择决定何种类型的标签。高性能的标签可以抵御高温和浸泡入的液体，但标签的背 胶肯定遭受侵蚀;但背胶在严寒的环境会导致标签脆化易碎，根据实际可以选择使用螺栓或扎带。

  在超高频 RFID 的部署环境中，有些介质是水泥，有些介质是金属或含金属物质，有些是泥土，某些是绝缘体和导体复合物(如轮胎)。介质不同，介电常数就有差异，超高频RFID 读写器读写性能差异较大，严重时漏读有时出现漏读。对于漏读，先找出漏读的原因是什么，配合各种仪器，查出主要原因。其中一个重要原因是标签在不同的金属反射面多次的反射，产生了频率偏移。正常标签的响应范围是 860-960MHz，由于介质的不同，标签的响应范围 整体往下偏移或往上偏移。

  3、 结语

  目前，超高频RFID系统的优化方案在多个项目中部署实施，提高了超高频 RFID读取的性能，减少读写器的漏读。优化方案不管对手持式超高频 RFID 读写器还是在固定式超高频 RFID 读写器都可以推广使用。使用优化方案，可以减轻现场超高频 RFID 部署的难度，加快项目实施的进度，同时为用户节约时间，实现稳定、可靠，满足客户需求。