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SAW射频识别无源电子标签技术及应用

Posted by admin 2009年5月5日

 射频识别系统
射频识别(RFID)技术是一种无接触自动识别技术,其基本原理
是利用射频信号及其空间耦合、传输特性,实现对静止的或移动中
的待识别物品的自动机器识别。
射频识别系统一般由两个部分组成,即电子标签和阅读器。电子
标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合,
在耦合通道内,根据时序关系,实现能量的传递、数据的交换。发生
阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种:
(1)电感耦合,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁
感应定律。
(2)电磁反向散射耦合:雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰
到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规
律。
电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。
典型的工作频率有:125kHz、225kHz和13.56MHz。识别作用
距离小于1m,典型作用距离为10cm~20cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有:433MHz,868MHz,915MHz,2.45GHz,5.8GHz。识别作用
距离大于1m,典型作用距离为3m~l0m。
电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体,电子标签附着在
待识别的物品上,是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下,电
子标签由标签天线和标签专用芯片组成。
依据电子标签供电方式的不同,可以分为有源标签(Active tag)
和无源标签(Passive tag)两种,有源标签内装有电池,无源标签没有内装电池。
阅读器又称为读出装置,阅读器可以是读/写或只读装置,用于
当附着有电子标签的待识别物品通过其读出范围内时,自动以无接触
的方式将电子标签中的约定识别信息取出,从而实现自动识别物品或
自动收集物品标识信息的功能。
声表面波器件技术
声表面波(SAW)是传播于压电晶体表面的机械波,其声速仅为
电磁波速的十万分之一,传播衰耗很小。SAW器件是在压电基片上采用微电子工艺技术制作叉指形电声换能器和反射器耦合器等,利用基片材料的压电效应,通过输入叉指换能器(IDT)将电信号转换成声
信号,并局限在基片表面传播,输出IDT将声信号恢复成电信号,实现电-声-电的变换过程,完成电信号处理过程,获得各种用途的电子器件。采用了先进微电子加工技术制造的声表面波器件,具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点,在通信、电视、遥控和报警系统中已得到广泛应用,数以亿计的手机和电视机中都应用了多个声表面波滤波器。随着加工工艺的飞速发展,SAW器件的工作频率已覆盖10MHz~2.5GHz,是现代信息化产业不可或缺的关键元器件。
SAW无源电子标签工作原理
SAW无源电子标签采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。
SAW标签是由叉指换能器和若干反射器组成,换能器的两条总线与电子标签的天线相连接。阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲,在电子标签天线的接收范围内,被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波,并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射,并返回到叉指换能器,叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计,使其反射信号表示规定的编码信息,那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码。通过解调与处理,达到自动识别的目的。
由于声表面波传播速度低,有效的反射脉冲串在经过几微秒的延
迟时间后才回到阅读器,在此延迟期间,来自阅读器周围的干扰反射
已衰减,不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰。
SAW无源电子标签应用
利用声表面波技术的电子标签始于上世纪80年代末,近年来声表面波标签的研究成为一个热点。声表面波电子标签是应用现代电子学、声学、半导体平面工艺技术和雷达及信号处理技术的系统新成就,它是有别于IC芯片识别的另一种新型非接触自动识别技术。
由于SAW器件本身工作在射频波段,无源且抗电磁干扰能力强,
因此SAW技术实现的电子标签具有一定独特的优势,是对集成电路技术的补充。其主要特点是:
1.读取范围大且可靠,可达数米;
2.可使用在金属和液体产品上;
3.标签芯片与天线匹配简单,制作工艺成本低;
4.不仅能识别静止物体,而且能识别速度达300千米/小时的高速
运动物体;
5.可在高温差(-100℃~300℃)、强电磁干扰等恶劣环境下使
用。
电子标签技术应用领域非常广泛,包括物流管理、路桥收费、公
共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控识别、超市防盗和
收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装配流水线控制和跟踪、设备
和资产管理、体育竞赛等。
SAW标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数变化的测量,如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。
德国的Baumer Ident GmbH公司生产的OIS-W声表面
波标签、Siemens公司的SOFIS声表面波系统已成功用于挪威奥
斯陆汽车过桥自动收费系统以及德国慕尼黑火车进站定位系统。在美
国,Identtronix、i-Ray、RF-SAW等公司也均生产商业化的SAW
电子标签。
SAW研发情况
中国电子科技集团公司第五十五研究所(下简称五十五所)是国
家重点军工研究所,已有数十年的高频微波器件部件的成熟经验。
目前五十五所已发展成为国内领先国际认可的高频声表面波器件研发与生产基地,具备制作0.5μ m(2GHz)高频声表面波器件
的能力。ND系列高频声表面波器件批量生产的产品规范与国外同类产品的相当,经济运行态势良好,年增长率大于30%。
434MHz和915MHz是民用非管制无线电频段,一般民用遥控设
备都使用这些频段,ISO也建议开放用于射频识别。因此我们从2003
年初开始了本项目有关产品技术开发和样品样机的试制,现已试制开
发了数种应用器件样品和样机,达到预期效果。
发展SAW电子标签的关键
1.标签编码容量与作用距离的优化;
2.编码和阅读器的配合;
3.小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线;
4.异码标签芯片的批量生产;
5.防碰撞和可读写标签。
SAW RFID的突破
SAW(表面声波)RFID已出现了一段时间,应用在移动电话、寻呼机中的数以亿计的非RFID SAW方案具有可靠性高,成本低的特点,SAW RFID技术也从这些优点中受益良多。SAW RFID首先出现在美国加利福尼亚和挪威的不中断式公路收费系统中,但是数量不多。并且在加利福尼亚它们被贴到汽车挡风玻璃上的硅芯片RFID标签代替了。在挪威,MicroDesign公司供应采用这种技术的只读被动式标签有十几年的时间,后来它就以QFree的名义开始供应针对不中断式公路收费系统和其他设备的硅芯片RFID可读写设备与系统。实际上直到今天,没人知道如何制造主动式的或可读写的SAW RFID标签,尽管Dallas公司的RFSAW已作了一些很好的工作来显示它不需额外的传感器就可感应张力或温度的变化。感应张力或温度的功能用硅芯片和分离式传感器也是可以实现的,但是这种方式的成本太高。今天,温度检测RFID标签在家畜和食品方面都有应用案例,但是数量非常少。
然而,虽然SAW RFID的一个缺陷是仍然采用了类似硅材料的易碎芯片,但它的加工过程所需的步骤更少,所要求的精确性也没有那么高,因此它的成本比硅芯片RFID也要低一些,当然这在市场中还没有真正地实现。RFSAW已向许多行业销售了SAW RFID设备,另外在创建一个包括这种设备的ISO 18000的子标准方面,它也是主要的推动者。
灭菌过程耐受性
SAW ID芯片的独特物理特性解决了RFID的主要问题,并且实现了:
◆ 标签与阅读器相互距离较大时的可靠读取。
◆ 克服了读取信号可能被液体和金属阻断的情况。
◆ 商业化的全货盘读取,这是RFID的一个非常重要的能力。
在许多应用场合中,SAW的读取距离是足够大的,因此被动式标签可以代替用电池驱动的高成本主动式标签。SAW RFID系统具有与生俱来的能力来检测标签位置、运动的方向和标签温度等,这些功能如果用其他的技术很难实现或需要很高成本。另外,SAW标签可以经受一些与安全相关的过程,如一些食品或医药的生产过程会升高操作温度、通过高能量的X射线或用伽马射线灭菌等。
例如,RFSAW标签采用了成本比较低的芯片和尺寸较小的低成本天线,与基于IC的标签相比,它的成本就很有优势。另外,通过加入关键信号处理功能(如多标签读取功能),整个系统的成本被进一步优化了。它通过多路访问可扩展频谱信号实现了这一功能,这种信号在具备高速读取速度的同时,还具有较高的抗干扰性,与其他无线射频系统和RFID读取器也有较好的频谱相容性。与UHF不同的是,目前它在全世界都可以合法的操作,不需要等待欧洲、中国和其他国家的无线管制规定的审查。256位的版本也是可能的,这远远超出了产品级别、货盘和包装箱所要求的存储空间要求,更不用说运输和车辆上的标签了。
其他开发SAW RFID的公司
澳大利亚的Carinthian Tech Research (CTR)公司最近开发了一种新型被动式RFID标签。这种标签能够耐受和监测工程与工业应用环境(与RFSAW的大范围低成本的应用场合不同)中的温度变化情况。
 

分类:标签
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