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射頻

鎖定
射頻(RF)是Radio Frequency的縮寫,表示可以輻射到空間的電磁頻率,頻率範圍從300kHz~300GHz之間。射頻就是射頻電流,簡稱RF,它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小於1000次的交流電稱為低頻電流,大於10000次的稱為高頻電流,而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻(300K-300G)是高頻(大於10K)的較高頻段,微波頻段(300M-300G)又是射頻的較高頻段。
電子學理論中,電流流過導體,導體周圍會形成磁場;交變電流通過導體,導體周圍會形成交變的電磁場,稱為電磁波。在電磁波頻率低於100kHz時,電磁波會被地表吸收,不能形成有效的傳輸,但電磁波頻率高於100kHz時,電磁波可以在空氣中傳播,並經大氣層外緣的電離層反射,形成遠距離傳輸能力。我們把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻。射頻技術在無線通信領域中被廣泛使用有線電視系統就是採用射頻傳輸方式。 [1] 
中文名
射頻
外文名
Radio Frequency
別    名
RF
適用領域
通信
應用學科
物理學

射頻系統組成

最基本的RFID系統由三部分組成:
1.標籤(Tag,即射頻卡):由耦合元件及芯片組成,標籤含有內置天線,用於和射頻天線間進行通信;
2.閲讀器:讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標籤信息的設備;
3.天線:在標籤和讀取器間傳遞射頻信號。有些系統還通過閲讀器的RS232或RS485接口與外部計算機(上位機主系統)連接,進行數據交換。

射頻射頻分類應用

定義RFID產品的工作頻率有低頻、高頻和甚高頻的頻率範圍內的符合不同標準的不同的產品,而且不同頻段的RFID產品會有不同的特性。其中感應器有無源和有源兩種方式。 [2] 
低頻
其實RFID技術首先在低頻(從125kHz到134kHz)得到廣泛的應用和推廣。該頻率主要是通過電感耦合的方式進行工作,也就是在讀寫器線圈和感應器線圈間存在着變壓器耦合作用,通過讀寫器交變場的作用在感應器天線中感應的電壓被整流,可作供電電壓使用。磁場區域能夠很好的被定義,但是場強下降的太快。 [2] 
特性:
工作在低頻的感應器的一般工作頻率從120kHz到134kHz,TI的工作頻率為134.2kHz。該頻段的波長大約為2500m;
1.除了金屬材料影響外,一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。
2.工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制。
3.低頻產品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴,但是有10年以上的使用壽命。
4.雖然該頻率的磁場區域下降很快,但是能夠產生相對均勻的讀寫區域。
5.相對於其他頻段的RFID產品,該頻段數據傳輸速率比較慢。
6.感應器的價格相對與其他頻段來説要貴。
主要應用:
畜牧業的管理系統;汽車防盜和無鑰匙開門系統的應用;馬拉松賽跑系統的應用;自動停車場收費和車輛管理系統;自動加油系統的應用;酒店門鎖系統的應用;門禁和安全管理系統。
高頻
高頻(工作頻率為13.56MHz)在該頻率的感應器不再需要線圈進行繞制,可以通過腐蝕或者印刷的方式製作天線。感應器一般通過負載調製的方式進行工作。也就是通過感應器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發生變化,實現用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調製。如果人們通過數據控制負載電壓的接通和斷開,那麼這些數據就能夠從感應器傳輸到讀寫器。
特性:
1.工作頻率為13.56MHz,該頻率的波長大概為22m;
2.除了金屬材料外,該頻率的波長可以穿過大多數的材料, 但是往往會降低讀取距離。感應器需要離開金屬一段距離;
3.該頻段在全球都得到認可並沒有特殊的限制;
4.感應器一般以電子標籤的形式;
5.雖然該頻率的磁場區域下降很快,但是能夠產生相對均勻的讀寫區域;
6.該系統具有防衝撞特性,可以同時讀取多個電子標籤;
7.可以把某些數據信息寫入標籤中;
8.數據傳輸速率比低頻要快, 價格不是很貴。
主要應用:
圖書管理系統的應用;液化氣鋼瓶的管理應用;服裝生產線和物流系統的管理和應用;三表預收費系統;酒店門鎖的管理和應用;大型會議人員通道系統;固定資產的管理系統;醫藥物流系統的管理和應用;智能貨架的管理。
甚高頻
甚高頻(工作頻率為860MHz到960MHz之間)甚高頻系統通過電場來傳輸能量。電場的能量下降的不是很快,但是讀取的區域不是很好進行定義。該頻段讀取距離比較遠,無源可達10m左右。主要是通過電容耦合的方式進行實現。
特性:
1.在該頻段,全球的定義不是很相同-歐洲和部分亞洲定義的頻率為868MHz,北美定義的頻段為902MHz到905MHz之間,在日本建議的頻段為950MHz到956MHz之間。該頻段的波長大概為30cm左右。
2.該頻段功率輸統一的定義(美國定義為4W,歐洲定義為500mW)。
3.甚高頻頻段的電波不能通過許多材料,特別是水、灰塵、霧等懸浮顆粒物資。相對於高頻的電子標籤來説,該頻段的電子標籤不需要和金屬分開來。
4.電子標籤的天線一般是長條和標籤狀。天線有線性和圓極化兩種設計,滿足不同應用的需求。
5.該頻段有好的讀取距離,但是對讀取區域很難進行定義。
6.有很高的數據傳輸速率,在很短的時間可以讀取大量的電子標籤。
主要應用:
供應鏈上的管理和應用;生產線自動化的管理和應用;航空包裹的管理和應用;集裝箱的管理和應用;鐵路包裹的管理和應用;後勤管理系統的應用;大規模人員進出管理的應用。
有源RFID技術
有源RFID技術(2.45GHz、5.8GHz)有源RFID具備低發射功率、通信距離長、傳輸數據量大,可靠性高和兼容性好等特點,與無源RFID相比,在技術上的優勢非常明顯。被廣泛地應用到公路收費、港口貨運管理、人員定位管理等應用中。但是使用此頻段具有很強的方向性,並且在接收區域內如有金屬物體的話,金屬物體對該頻段的射頻會產生折射和反射,從而影響射頻接收器的信號讀寫。 [2] 

射頻工作原理

系統的基本工作流程是:閲讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號,當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流,射頻卡獲得能量被激活;射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去;系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號,經天線調節器傳送到閲讀器,閲讀器對接收的信號進行解調和解碼然後送到後台主系統進行相關處理;主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性,針對不同的設定做出相應的處理和控制,發出指令信號控制執行機構動作。
在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閲讀器的數據傳輸方法(負載調製、反向散射、高次諧波)以及頻率範圍等方面,不同的非接觸傳輸方法有根本的區別,但所有的閲讀器在功能原理上,以及由此決定的設計構造上都很相似,所有閲讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發送器和接收器,其功能包括:產生高頻發射功率以啓動射頻卡並提供能量;對發射信號進行調製,用於將數據傳送給射頻卡;接收並解調來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統的高頻接口設計具有一些差異。
閲讀器的控制單元的功能包括:與應用系統軟件進行通信,並執行應用系統軟件發來的命令;控制與射頻卡的通信過程(主-從原則);信號的編解碼。對一些特殊的系統還有執行反碰撞算法,對射頻卡與閲讀器間要傳送的數據進行加密和解密,以及進行射頻卡和閲讀器間的身份驗證等附加功能。
無線射頻識別系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數。長距離無線射頻識別系統的價格還很貴,因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閲讀器的RF輸出功率、閲讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閲讀器和射頻卡的耦合度,以及射頻卡本身獲得的能量及發送信息的能量等。大多數系統的讀取距離和寫入距離是不同的,寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。

射頻計算單位

絕對功率
射頻常用計算單位簡介 射頻常用計算單位簡介
各種射頻常用計算單位,是深入地理解射頻概念的必備基礎知識之一;絕對功率的dB表示 [3]  射頻信號的絕對功率常用dBm、dBW表示,它與mW、W的換算關係如下:
例如信號功率為xW,利用dBm表示時其大小為:
例如:1W等於30dBm,等於0dBW。
1mW等於0dBm。
相對功率
射頻收發核心電路 射頻收發核心電路
相對功率的dB表示射頻信號的相對功率常用dB和dBc兩種形式表示,其區別在於:
dB是任意兩個功率的比值的對數表示形式;而dBc是某一頻點輸出功率和載頻輸出功率的比值的對數表示形式。
例如:30dBm - 0dBm = 30dB
天線增益
天線增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天線相對於無方向天線的功率能量密度之比,dBd是指相對於半波振子Dipole的功率能量密度之比,半波振子的增益為2.15dBi,因此0dBd=2.15dBi。
其他單位
射頻原理 射頻原理
電阻:阻擋電流通過的物體或物質,從而把電能轉化為熱能或其它形式的能量,單位:歐姆,Ω
電壓:電位或電位差,單位:伏特,V
電流:單位時間內通過電路上某一確定點的電荷數,單位:安培,A
電感:線圈環繞着的東西,通常是導線,由於電磁感應的原因,線圈可產生電動勢能,單位:亨利,H
電容:一個充電的絕緣導電物體潛在具有的最大電荷率,單位:法拉,F

射頻應用領域

射頻通信
在整個射頻通信中,主要包含以下幾種頻率:傳輸頻率、接收頻率、中頻和基帶頻率。基帶頻率是用來調製數據的信號頻率。而真正的傳輸頻率則比基帶頻率高很多,一般的頻譜範圍是500MHz到38GHz,數據信號也是在此高頻下進行傳輸的。一般來説,射頻系統具有非常強大的傳輸調製信號的功能,即使在有干擾信號和阻斷信號[z2]的情況下,該系統也可以做到以最高的質量發送並且以最好的靈敏度接收調製信號。阻斷信號主要有兩種:帶內阻斷信號和帶外阻斷信號。帶外阻斷信號是指分佈在信號頻譜之外的無關信號,例如由其它無線傳輸技術產生的數據信號。帶內阻斷信號則分佈在我們感興趣的信號頻譜之內,例如由相同的無線傳輸技術在其它終端產生的數據信號。對於無線通信而言,要成功地實現射頻接收功能,必須要過濾掉這兩種阻斷信號。中頻多被用來作為傳輸/接受頻率和基帶頻率的過渡,而這種傳輸方式正是超外差結構的基礎。一般而言,帶外阻斷信號可以被天線自帶的濾波器過濾掉。而中頻的存在使我們有機會在信號被混合到基帶頻率並做數字處理之前將帶內阻斷信號濾除。另一方面,在發送端,中頻常被用來濾除所有從基帶轉換到中頻這個過程中可能產生的偽數據和噪聲
採用超外差結構的另外一種實現方法是利用中頻採樣來減少信號鏈上的器件個數。這種方法選擇在中頻對信號進行採樣,而不是在採樣前先將信號混合到基帶。在第一種超外差結構中,從中頻到基帶的轉換過程需要以下器件:本機鎖相環、智能解調器(混頻器)和雙向ADC(模擬-數字轉換器)。如果選擇在中頻進行採樣,那這三個器件可以用一個高性能的ADC來代替。這不僅可以降低信號鏈的複雜程度,還可以提高信號解調的質量。
但是,如果在下行基帶轉換器裏應用高質量智能解調器,也能得到非常好的通信效果。如果能使本機鎖相環和射頻器件的漏電足夠小,基帶的直流失調便可最小化。除此之外,解調器的相位分離功能可以做到非常準確的90度的相位分離,這將確保信號解調時,誤差向量的值不會變壞或者只是變壞一點。最後,如果我們在使用智能解調器的同時,使用一個具有低相位噪聲的鎖相環,將會確保基帶輸出信號的低噪聲,並且因此獲得一個好的位錯誤率(BER)。
因為ADC要在越來越高的頻率下工作,所以中頻採樣結構的功耗變得比第一種超外差結構越來越高,並因此而越來越昂貴,這是中頻採樣結構的最主要的缺點。由於這個原因,基於中頻採樣的射頻結構往往更適合那些在相對低頻或者中頻的應用,畢竟這些頻段對成本的影響不大。不過隨着科技的發展,尤其是CMOS工藝的引進,使得集成高性能的器件和電路的價格越來越低,在不遠的將來,中頻採樣結構將不再是一種昂貴的選擇。
在射頻通信中應用的第三種結構由於直接轉換結構直接將基帶信號和射頻信號在同一進程中混合在一起,這使得該結構的信號鏈路最為簡單,它所需要的元器件最少。與其它兩種結構不同的是,它將不需要中頻處理和聲表面波(SAW)濾波器。
直接轉換結構的主要優點是:價格便宜、小型化、低功耗,並且沒有中頻轉換相關器件。這些優點使得這種結構非常適合在低功耗、便攜式終端的應用。儘管如此,一些高性能器件的使用為直接轉換結構應用在高端市場打開了方便之門。事實上,正是這些高性能器件的使用,使得直接轉換結構受到越來越多的關注。
由於在直接轉換結構中沒有中頻處理單元,帶內阻斷信號的功率將直接傳遞到混頻器和模數轉換器(如果信號鏈路上含有模數轉換器)。低噪聲的混頻器將確保弱信號不會被噪聲和阻斷信號所淹沒。另外,由於混頻器具有高的輸出擺幅和低的失真,阻斷信號既不會過驅動整個系統也不會調製到我們需要的載波信號上。
對於基帶超外差接收器,如果在本機鎖相環和射頻輸入之間存在泄漏通路,就一定會產生直流失調。對於和全球移動通信系統類似的支持跳頻的一些射頻應用來説,頻率的跳變將導致本機鎖相環路漏電的改變,並最終導致整個系統的直流失調的跳變。如果要糾正它,必須在系統中引入一個直流失調的補償環路。儘管如此,在那些不需要跳頻的應用中,本機鎖相環的漏電是不變的,因此動態直流失調的補償意義不大。
在傳輸端,由於不能有效降低帶內噪聲和失真,採用直接轉換結構的射頻發射機必須是由那些動態範圍大的元器件構成。
在基站的相關應用中,由於面積和頻道密度要被重點考慮,直接轉換結構尤其被看好。因為從基站的角度看,帶內阻斷信號是不存在的(也就是説基站自己將處理帶內阻斷信號),所以,即使直接轉換結構缺乏濾除帶內阻斷信號的功能也是可以接受的。
當然,選擇何種射頻電路結構應該由市場應用來決定。這些指導設計的因素包括:從設計到產品進入市場的時間、成本、外形、功能指標、靈活性、能否支持多種不同的應用模式等等。如何針對一個確定的應用去選擇合適的射頻結構不在本文的介紹範圍之內。但是可以明確的是,如今一些射頻器件製造商已經可以提供各種針對性的服務以幫助我們設計合適的射頻系統,在整個結構設計的過程中,他們甚至可以提供幾位富有經驗的工程師為我們答疑解惑。 [4] 
識別系統
射頻識別技術依其採用的頻率不同可分為低頻系統和高頻系統兩大類;根據電子標籤內是否裝有電池為其供電,又可將其分為有源系統和無源系統兩大類;從電子標籤內保存的信息注入的方式可將其分為集成電路固化式、現場有線改寫式和現場無線改寫式三大類;根據讀取電子標籤數據的技術實現手段,可將其分為廣播發射式、倍頻式和反射調製式三大類。 [4] 
1.低頻系統一般指其工作頻率小於30MHz,典型的工作頻率有:125KHz、225KHz、13.56MHz等,這些頻點應用的射頻識別系統一般都有相應的國際標準予以支持。其基本特點是電子標籤的成本較低、標籤內保存的數據量較少、閲讀距離較短(無源情況,典型閲讀距離為10cm)電子標籤外形多樣(卡狀、環狀、鈕釦狀、筆狀)、閲讀天線方向性不強等。
2.高頻系統一般指其工作頻率大於400MHz,典型的工作頻段有:915MHz、2450MHz、5800MHz等。高頻系統在這些頻段上也有眾多的國際標準予以支持。高頻系統的基本特點是電子標籤及閲讀器成本均較高、標籤內保存的數據量較大、閲讀距離較遠(可達幾米至十幾米),適應物體高速運動性能好、外形一般為卡狀、閲讀天線及電子標籤天線均有較強的方向性。
3.有源電子標籤內裝有電池,一般具有較遠的閲讀距離,不足之處是電池的壽命有限(3~10年);無源電子標籤內無電池,它接收到閲讀器(讀出裝置)發出的微波信號後,將部分微波能量轉化為直流電供自己工作,一般可做到免維護。相比有源系統,無源系統在閲讀距離及適應物體運動速度方面略有限制。

射頻射頻卡分類

生產RFID產品的很多公司都採用自己的標準,國際上還沒有統一的標準。ISO18000。應用最多的是ISO14443和ISO15693,這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協議四部分組成。
按照不同得方式,射頻卡有以下幾種分類:
1.按供電方式分為有源卡和無源卡。有源是指卡內有電池提供電源,其作用距離較遠,但壽命有限、體積較大、成本高,且不適合在惡劣環境下工作;無源卡內無電池,它利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電,其作用距離相對有源卡短,但壽命長且對工作環境要求不高。
2.按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種,中頻射頻卡頻率主要為13.56MHz,高頻射頻卡主要為433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統主要用於短距離、低成本的應用中,如多數的門禁控制、校園卡、動物監管、貨物跟蹤等。中頻系統用於門禁控制和需傳送大量數據的應用系統;高頻系統應用於需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合,其天線波束方向較窄且價格較高,在火車監控、高速公路收費等系統中應用。 [5] 
3.按調製方式的不同可分為主動式和被動式。主動式射頻卡用自身的射頻能量主動地發送數據給讀寫器;被動式射頻卡使用調製散射方式發射數據,它必須利用讀寫器的載波來調製自己的信號,該類技術適合用在門禁或交通應用中,因為讀寫器可以確保只激活一定範圍之內的射頻卡。在有障礙物的情況下,用調製散射方式,讀寫器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動方式的射頻卡發射的信號僅穿過障礙物一次,因此主動方式工作的射頻卡主要用於有障礙物的應用中,距離更遠(可達30米)。 [5] 
4.按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小於1釐米)、近耦合卡(作用距離小於15釐米)、疏耦合卡(作用距離約1米)和遠距離卡(作用距離從1米到10米,甚至更遠)。
5.按芯片分為只讀卡、讀寫卡和CPU卡。 [5] 

射頻術語知識

1.功率/電平(dBm):放大器的輸出能力,一般單位為w、mw、dBm。
2.增益(dB):即放大倍數,單位可表示為分貝(dB)。
注:dBm是取1mw作基準值,以分貝表示的絕對功率電平。換算公式:
電平(dBm)=10lgmw
5W → 10lg5000=37dBm
10W → 10lg10000=40dBm
20W → 10lg20000=43dBm
從上不難看出,功率每增加一倍,電平值增加3dB
即:dB=10lgA(A為功率放大倍數)
3.插損:當某一器件或部件接入傳輸電路後所增加的衰減,單位用dB表示。
4.選擇性:衡量工作頻帶內的增益及帶外輻射的抑制能力。-3dB帶寬即增益下降3dB時的帶寬,-40dB、-60dB同理。
5.駐波比(回波損耗):行駐波狀態時,波腹電壓與波節電壓之比(VSWR)
附:駐波比——回波損耗對照表:
SWR 1.2 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50
回波損耗(dB) 21 19 17.6 16.6 15.6 14.0
注:根據回波損耗(RL)的計算駐波比(SWR)關係式為SWR=[10^(RL/20)+1]/[[10^(RL/20)-1]]。
6.三階交調:若存在兩個正弦信號ω1和ω2 由於非線性作用將產生許多互調分量,其中的2ω1-ω2和2ω2-ω1兩個頻率分量稱為三階交調分量,其功率P3和信號ω1或ω2的功率之比稱三階交調係數M3。
即M3 =10lg P3/P1 (dBc)
7.噪聲係數:一般定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值,實際使用中化為分貝來計算。單位用dB。
8.耦合度:耦合端口與輸入端口的功率比, 單位用dB。
9.隔離度:本振或信號泄露到其他端口的功率與原有功率之比,單位dB。
10.天線增益(dB):指天線將發射功率往某一指定方向集中輻射的能力。一般把天線的最大輻射方向上的場強E與理想各向同性天線均勻輻射場場強E0相比,以功率密度增加的倍數定義為增益。Ga=E2/ E02
11.天線方向圖:是天線輻射出的電磁波在自由空間存在的範圍。方向圖寬度一般是指主瓣寬度即從最大值下降一半時兩點所張的夾角。
E面方向圖指與電場平行的平面內輻射方向圖;
H面方向圖指與磁場平行的平面內輻射方向圖。
一般是方向圖越寬,增益越低;方向圖越窄,增益越高。
12.天線前後比:指最大正向增益與最大反向增益之比,用分貝表示。
13.單工:亦稱單頻單工制,即收發使用同一頻率,由於接收和發送使用同一個頻率,所以收發不能同時進行,稱為單工。
14.雙工:亦稱異頻雙工制,即收發使用兩個不同頻率,任何一方在發話的同時都能收到對方的講話。單工、雙工都屬於移動通信的工作方式。
15.放大器:(amplifier)用以實現信號放大的電路。
16.濾波器:(filter)通過有用頻率信號抑制無用頻率信號的部件或設備。
17.衰減器:(attenuator)在相當寬的頻段範圍內一種相移為零、其衰減和特性阻抗均為與頻率無關的常數的、由電阻元件組成的四端網絡,其主要用途是調整電路中信號大小、改善阻抗匹配。
功分器:進行功率分配的器件。有二、三、四……功分器;接頭類型分N頭(50Ω)、SMA頭(50Ω)、和F頭(75Ω)三種。
18.耦合器:從主幹通道中提取出部分信號的器件。按耦合度大小分為5、10、15、20……dB不同規格;從基站提取信號可用大功率耦合器(300W),其耦合度可從30~65dB中選用;耦合器的接頭多采用N頭。
19.負載:終端在某一電路(如放大器)或電器輸出端口,接收電功率的元/器件、部件或裝置統稱為負載。對負載最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。
20.環形器:使信號單方向傳輸的器件。
21.轉接頭:把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置。
22.饋線:是傳輸高頻電流的傳輸線。
23.天線:(antenna)是將高頻電流或波導形式的能量變換成電磁波並向規定方向發射出去或把來自一定方向的電磁波還原為高頻電流。
參考資料