射频物理学：RFID系统中的能量如何流动？

射频物理与射频识别：简要概述

RFID系统，和所有涉及能量的系统一样，受物理定律支配。物理学是研究物质及其在空间和时间中的运动，以及相关概念如能量和力的学科。更深入地说，RFID系统还受制于基本的电磁原理。这些原理涉及能量传递和电磁谱，定义在法拉第电磁感应定律和伦茨定律中。此外，政府和军事部门在全球各地对电磁频谱（传输频率和功率）的使用进行监管，这导致了RFID系统的标准和法规。

RFID系统的每个方面都按照上述法律和标准设计，以成功利用电磁场和调制能量交换信息。工艺的每个环节——读卡器到电缆、电缆到天线，以及天线到标签（以及返回）——确保了各段之间的有效能量传递。

典型UHF RFID系统能量流动过程的每一步都简单定义如下。

能量流：读卡器到电缆

能量以交流电（交流电）的形式从电源插座流出，这意味着电子在移动过程中会周期性反转方向，使能量相对于直流电（直流电）传输距离更远。RFID读卡器随读卡器附带的典型电源是交流转直流电源，将交流电从插座切换为直流电（更适合读卡电子设备）。

接着，直流电通过振荡器和锁相环（PLL）模块，该模块将电源的直流电转换为可变频率的交流电。可变频率由RFID读卡器内部的跳频算法确定，该算法基于制造阶段设定的频率范围。

例如，在美国，由于法规规定单个读卡器在特定频率上传输时间不得超过400毫秒或0.4秒，以防止特定频率被拥挤，每个读卡器都必须采用跳频算法。使用设定为美国联邦通信委员会（FCC）频率范围的射频读卡器时，读卡器会每0.4秒“跳”一次，频率为预定频率，如902.5 MHz（0.4秒）、903.5 MHz（0.4秒）、927 MHz（0.4秒）等。如果读卡器在同一频率上停留超过0.4秒，邻近无线电之间可能会产生干扰。

在变量频率值设定后，所得信号会被射频放大器放大，并根据读取器试图发送到RFID标签的信息进行调制。射频放大器确定RFID读取器将发送信号的功率（即发射功率），并将射频信号放大至所需的功率水平。根据美国联邦通信委员会（FCC）规定，读卡器发送的功率信号不得超过1瓦（30 dBm）。然而，由于天线的功率包含了电缆损耗导致的衰减，一些RFID读卡器能够传输超过30 dBm的功率水平（例如31.5 dBm）。电缆的衰减会抵消额外的发射功率，使读卡器不会违反FCC标准15.247。使用> 30 dBm的读卡发射功率时，操作员需确保所用电缆提供所需的衰减，使天线输入功率不超过1瓦。（有关其他国家UHF RFID法规的更多细节，请参见GS1文件。）

放大后的信号随后通过射频带通滤波器，去除允许传输带宽之外的额外频率。信号通过带通滤波器后，再输出到天线端口，随后通过定向耦合器传输到同轴电缆。

能量流：电缆到天线

信号随后通过同轴电缆传导到RFID天线。值得注意的是，由于信号沿电缆传播时衰减，功率会因此损失。损失的电力大小取决于电缆的长度及其绝缘等级。低损耗电缆通常较粗且长度较短。

当同轴电缆正确连接到天线端口时，电缆连接器的中心针脚连接到天线的辐射元件。信号（或交流电流）从中心引脚流向辐射元件，然后通过介质到达接地元件（见下图）。辐射元件结合地平面，根据天线的增益参数聚焦能量，以建立电磁场。

当电磁场形成时，辐射元件释放电磁波，这些波从天线传播出去。辐射能量的形状和形式称为天线的辐射模式。

天线的波束宽度可以根据天线的辐射图样计算出来。波束宽度是辐射图样主瓣半功率点之间的夹角。辐射模式、波束宽度和增益都受接地板尺寸以及辐射板尺寸的影响。

能量流：天线到标签（及返回）

传播的波会根据天线的具体增益和波束宽度参数，在空间中垂直和水平方向传播到一定距离。

现场的RFID标签通过自身的天线接收能量或射频波。接收到的能量通过RFID标签的天线传输，其中一部分用于激活芯片（即集成电路，IC），并根据RFID读取器接收到的指令准备传输数据。

当芯片开启时，它会根据标签中存储的信息（与读者请求相关）调制能量，并将剩余能量“反射”回来。这些信息可以是EPC内存、用户内存，或标签上编程的任何内容。这种能量反射回天线的过程称为背散射辐射。

反向散射辐射穿过空气，进入RFID天线的磁场，再通过同轴电缆返回RFID读卡器的天线端口。定向耦合器接收接收信号，并通过带通滤波器、混频器和基带放大器传递至解码电路，恢复标签信息。

结论

如果您对RFID系统的物理性有任何疑问，请联系我们获取更多信息。

如果您想了解更多关于RFID的信息，请访问我们的网站或RFID资源。