深入探討RFID技術(shù)及電磁兼容的研究

RFID是射頻識(shí)別技術(shù)的英文(RadioFrequencyIdentification)縮寫。射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)在世界范圍內(nèi)正得到廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)，該技術(shù)及其應(yīng)用處于初級(jí)發(fā)展階段，存在技術(shù)水平不高、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完整等諸多問(wèn)題。但同時(shí)，射頻識(shí)別技術(shù)在我國(guó)又擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)潛力，相對(duì)于條碼技術(shù)而言，射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的推廣將是我國(guó)自動(dòng)識(shí)別行業(yè)的一場(chǎng)技術(shù)革命。但是嶄新的無(wú)線技術(shù)在推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，如果使用不當(dāng)勢(shì)必會(huì)帶來(lái)頻率干擾，如何同現(xiàn)有無(wú)線電業(yè)務(wù)和平共處是本文所主要考慮的問(wèn)題。

1、RFID技術(shù)介紹

射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。

射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽(射頻標(biāo)簽)和閱讀器組成。電子標(biāo)簽內(nèi)存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為待識(shí)別物品的標(biāo)志性信息。應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物品上，作為待識(shí)別物品的電子標(biāo)記。閱讀器與電子標(biāo)簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，通常的情況是由閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，電子標(biāo)簽根據(jù)收到的閱讀器的命令，將內(nèi)存的標(biāo)志性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。這種通信是在無(wú)接觸方式下，利用交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)的空間耦合及射頻信號(hào)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)階段的RFID技術(shù)在全球主要有車輛識(shí)別、自動(dòng)化生產(chǎn)線管理、家畜識(shí)別、身份識(shí)別、門禁管理等方面的應(yīng)用。



圖1　RFID系統(tǒng)示意圖

表1　RFID技術(shù)的應(yīng)用



典型應(yīng)用領(lǐng)域

具體應(yīng)用

車輛自動(dòng)識(shí)別管理

鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別是射頻識(shí)別技術(shù)最普通的應(yīng)用。

高速公路收費(fèi)及智能交通系統(tǒng)

高速公路自動(dòng)收費(fèi)充分體現(xiàn)了非接觸識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，在車輛高速通過(guò)收費(fèi)站的同時(shí)完成繳費(fèi)，解決了交通的瓶頸問(wèn)題，提高了車行速度，避免擁堵，提高了收費(fèi)結(jié)算效率。

貨物的跟蹤、管理及監(jiān)控

射頻識(shí)別技術(shù)為貨物的跟蹤、管理及監(jiān)控提供了快捷、準(zhǔn)確、自動(dòng)化的手段。以射頻識(shí)別技術(shù)為核心的集裝箱自動(dòng)識(shí)別，成為全球范圍最大的貨物跟蹤管理應(yīng)用。

倉(cāng)儲(chǔ)、配送等物流環(huán)節(jié)

射頻識(shí)別技術(shù)目前在倉(cāng)儲(chǔ)、配送等物流環(huán)節(jié)已有許多成功的應(yīng)用。隨著射頻識(shí)別技術(shù)在開(kāi)放的物流環(huán)節(jié)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的研究開(kāi)發(fā)，物流業(yè)將成為射頻識(shí)別技術(shù)最大的受益行業(yè)。

生產(chǎn)線產(chǎn)品加工過(guò)程自動(dòng)控制

主要應(yīng)用在大型工廠的自動(dòng)化流水作業(yè)線上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、監(jiān)視，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

動(dòng)物跟蹤和管理

射頻識(shí)別技術(shù)可用于動(dòng)物跟蹤。在大型養(yǎng)殖廠，可通過(guò)采用射頻識(shí)別技術(shù)建立飼養(yǎng)檔案、預(yù)防接種檔案等，達(dá)到高效、自動(dòng)化管理牲畜的目的，同時(shí)為食品安全提供了保障。

2、國(guó)際RFID技術(shù)特點(diǎn)及相關(guān)管理規(guī)則

盡管RFID在不同頻段有著不同的應(yīng)用，但近年來(lái)被業(yè)內(nèi)人士看好的技術(shù)是基于UHF頻段的無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。從應(yīng)用的趨勢(shì)來(lái)看，現(xiàn)代物流業(yè)、商品零售業(yè)會(huì)廣泛應(yīng)用RFID技術(shù)，為什么UHF頻段的RFID技術(shù)會(huì)成為全球熱點(diǎn)?主要有以下幾個(gè)需考慮的因素(見(jiàn)表2所示)。

表2　UHF頻段應(yīng)用特點(diǎn)



從幾個(gè)要素中，我們發(fā)現(xiàn)UHF頻段的讀寫距離在4～5米，從經(jīng)典的無(wú)線傳輸模型公式(1)中

　(1)

(其中P1為標(biāo)簽的接收功率，Gr為發(fā)射功率，L為路徑衰耗，λ為波長(zhǎng))，可以看出：

假設(shè)發(fā)射機(jī)的功率是等同的，利用低頻實(shí)現(xiàn)RFID，理論上將獲得很大的接收功率，但標(biāo)簽的尺寸較大將影響市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用；如果利用微波實(shí)現(xiàn)RFID的方案，盡管標(biāo)簽將變得較小，但路徑衰耗較大，波長(zhǎng)較短，接收功率是相當(dāng)小的，極大地影響了讀寫距離。綜合考慮，UHF頻段的RFID將具有波長(zhǎng)適中、遠(yuǎn)場(chǎng)耦合、標(biāo)簽較小、空間衰耗小、工作距離相對(duì)較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，加上IC智能卡技術(shù)不斷的成熟，TAG標(biāo)簽的價(jià)格將不斷走低，更為其廣泛應(yīng)用奠定了必要的基礎(chǔ)。所以UHF頻段的RFID技術(shù)將服務(wù)于全世界成為不爭(zhēng)的事實(shí)。

基于RFID的技術(shù)特點(diǎn)和潛在的應(yīng)用空間，國(guó)際相關(guān)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行頻率規(guī)劃工作，并制定了相應(yīng)的管理政策，筆者對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)單的整理，具體情況如表3所示。

表3　世界各國(guó)RFID頻率規(guī)劃概況



從表3我們可以清晰地看到，已作規(guī)劃的國(guó)家和地區(qū)，RFID的頻率使用大致在860～960MHz頻段，這已經(jīng)成為國(guó)際主流趨勢(shì)，同我們上述所作的技術(shù)分析的結(jié)論是吻合的。

各國(guó)政府除了對(duì)RFID的Reader(讀寫器)的發(fā)射功率作了相關(guān)規(guī)定外，對(duì)占用帶寬、調(diào)制方式、調(diào)頻數(shù)目均作了相關(guān)的規(guī)定。如：

(1)歐盟規(guī)定信道間隔為200kHz，在865.6～867.6MHz的2MHz的頻帶內(nèi)，讀寫器發(fā)射功率小于2W(E.R.P)；在856～856.6MHz的三個(gè)信道使用時(shí)，讀寫器發(fā)射功率須小于100mW；在867.6～868MHz的兩個(gè)信道使用時(shí)，讀寫器發(fā)射功率小于500mW。所以實(shí)際上在歐洲使用的RFID設(shè)備的信道間隔為200kHz，有10個(gè)功率可以達(dá)到2W的跳頻信道。

(2)美國(guó)FCC機(jī)構(gòu)規(guī)定美國(guó)FCC將902～928MHz這一頻段劃分為工、科、醫(yī)(ISM)頻段，所以對(duì)于信道劃分以及帶外輻射的要求相對(duì)寬松，要求信道間隔不超過(guò)500kHz即可，所允許的發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率小于4W(E.I.R.P)。所以目前美國(guó)市場(chǎng)上所使用的設(shè)備信道間隔以500kHz為主流，而且由于有相對(duì)較寬的26MHz的頻帶使用，所以跳頻信道個(gè)數(shù)也在50個(gè)以上，讀寫器的發(fā)射功率基本上為4W(E.I.R.P)。

(3)調(diào)制方式主要以FSK(帶副載波)、ASK、PSK較簡(jiǎn)單的制式為主，未來(lái)可能出現(xiàn)較復(fù)雜的數(shù)字調(diào)制方式。

(4)標(biāo)簽的天線盡管沒(méi)有規(guī)定，但趨勢(shì)是使用半波偶極子天線，因?yàn)樗茌椛涞拿娣e較大，達(dá)到1.64λ2/4π，增益因子為1.64。

3、RFID發(fā)射設(shè)備電磁兼容性研究情況

我國(guó)的無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)正積極開(kāi)展RFID的頻率規(guī)劃和指配工作，并啟動(dòng)了相關(guān)技術(shù)研究工作。我國(guó)所從事的頻率規(guī)劃工作的指導(dǎo)原則應(yīng)是：

(1)必須確保現(xiàn)有業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，在專用頻段、公眾移動(dòng)通信、集群通信頻段不能安排此項(xiàng)業(yè)務(wù)；

(2)需要進(jìn)行RFID業(yè)務(wù)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)的共存條件研究，需進(jìn)行大量深入細(xì)致的電磁兼容分析和實(shí)驗(yàn)；在電磁兼容分析和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制訂出RFID工作頻帶、發(fā)射功率、帶外發(fā)射、雜散發(fā)射等指標(biāo)，必要時(shí)要制訂配套的相關(guān)臺(tái)站管理規(guī)定；

(3)制訂設(shè)備的無(wú)線技術(shù)指標(biāo)時(shí)，要考慮滿足RFID業(yè)務(wù)在中國(guó)的大規(guī)模有效使用的頻帶、信道帶寬、帶外雜散、發(fā)射功率的相關(guān)要求。既要考慮保護(hù)現(xiàn)有無(wú)線電業(yè)務(wù)，又要考慮RFID設(shè)備的技術(shù)制造難度和制造成本。

顯而易見(jiàn)，電磁兼容性實(shí)驗(yàn)作為頻率規(guī)劃的重要的技術(shù)支撐手段是十分必要的，電磁兼容工作實(shí)際上就是關(guān)于無(wú)線電頻譜資源的有效利用和合理分配的問(wèn)題，是對(duì)新技術(shù)、新制式無(wú)線通信進(jìn)行頻率規(guī)劃必需的技術(shù)研究工作。

表4是我國(guó)在860～960MHz頻段的頻率規(guī)劃和指配情況。

表4　我國(guó)860～960MHz頻段頻率規(guī)劃和指配情況



我們針對(duì)UHF頻段的相關(guān)已存在的業(yè)務(wù)進(jìn)行了RFID設(shè)備的兼容性測(cè)試(RFID讀寫器樣品帶外雜散發(fā)射測(cè)試圖樣例見(jiàn)圖2)，由于標(biāo)簽相對(duì)讀寫器來(lái)說(shuō)功率較小，測(cè)試主要考慮讀寫器對(duì)公眾蜂窩通信的影響，特別是對(duì)易發(fā)生鄰頻干擾的GSM網(wǎng)絡(luò)。對(duì)無(wú)中心對(duì)講機(jī)系統(tǒng)也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境干擾測(cè)試。我們所使用的測(cè)試環(huán)境為EMC10米法半電波暗室、5米法全電波暗室，以及相關(guān)的真實(shí)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試配置如圖3所示。



圖2　RFID讀寫器樣品帶外雜散發(fā)射測(cè)試圖舉例



圖3　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試配置

通過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)讀寫設(shè)備同其他鄰近頻段無(wú)線電業(yè)務(wù)在近距離使用的情況下，當(dāng)Reader開(kāi)啟時(shí)，對(duì)鄰近無(wú)線電業(yè)務(wù)有相應(yīng)的影響，這主要來(lái)自開(kāi)關(guān)機(jī)噪聲的干擾；在工作環(huán)境較近的情況下(如1米以內(nèi))，由于讀寫器的帶外噪聲對(duì)臨近業(yè)務(wù)會(huì)有輕微的鄰道干擾。上述干擾，可以通過(guò)調(diào)整頻率的必要帶寬、發(fā)射功率大小和帶外發(fā)射特性等措施加以消除。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，筆者談一些個(gè)人建議：

(1)RFID設(shè)備實(shí)際使用時(shí)較理想的使用模式應(yīng)是跳頻模式。

(2)考慮到將來(lái)的大容量標(biāo)簽所需的更高的讀取速率，需要設(shè)備能夠提供足夠的必要帶寬。

(3)大功率的設(shè)備較難實(shí)現(xiàn)比較好的帶外特性，小功率的設(shè)備比較容易實(shí)現(xiàn)較好的帶外特性，考慮到對(duì)相鄰頻段業(yè)務(wù)的保護(hù)，建議RFID設(shè)備發(fā)射功率能夠滿足應(yīng)用即可。帶外發(fā)射以及雜散發(fā)射必須滿足信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線電管理局的相關(guān)文件以及國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定。

(4)為了防止RFID設(shè)備的電源端口、電信端口、信號(hào)端口耦合的傳導(dǎo)騷擾通過(guò)電源線、電信電纜或內(nèi)部連接電纜向空間輻射電磁波，建議RFID設(shè)備的電源端口、電信端口、信號(hào)端口的傳導(dǎo)騷擾滿足GB9254-1998《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》的相關(guān)要求。

(5)考慮到RFID設(shè)備可能在較惡劣的環(huán)境中試用，有可能由于環(huán)境溫度、濕度以及工作電壓的變化而引起設(shè)備射頻性能的變化，建議對(duì)RFID設(shè)備進(jìn)行極限條件下的射頻性能測(cè)試，具體要求參照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。