RFID簡介

RFID系統主要由兩個部分組成：讀寫器和標簽。讀寫器又包括中間件和相關硬件。中間件充當讀寫器的控制部件。硬件包括詢問器電路和天線。RFID詢問器的控制單元包括處理器、存儲單元、模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）。標簽是RFID系統的靈魂，包含識別碼。標簽主要包含：用于執行調制、解調、編碼、解碼以及數據存儲和數據處理的專用集成電路，多諧振器（無芯標簽中），以及天線。只有在RFID讀寫器工作范圍內才可以識別標簽，而且讀寫器和標簽之間的通信也容易受到環境的干擾。

圖1描繪了基本RFID系統的示意圖。讀寫器向標簽發送電磁（EM）波。標簽將能量/信號反向散射或重新傳輸給讀寫器，其中包含必要的信息。中間件解讀讀寫器捕獲的數據，并以要求的格式提供給用戶。用戶可以是進行進一步信號處理的主機，它可以連接到互聯網上，以便從全球任何地方訪問數據。

圖1 基本RFID系統示意圖

有芯RFID標簽和無芯RFID標簽

RFID系統由于成本較高因而無法替代條形碼技術。RFID標簽內嵌有IC芯片組，使其成本大約為條形碼的10倍，因此其開發是一項艱巨的任務。有芯RFID與無芯RFID相比發射天線的功率更高，覆蓋的讀取距離更大。因此，無芯RFID適用于近場應用。無芯RFID使用反向散射原理使其無法具有較高的信息存儲能力。無芯RFID標簽是無源的，其設計復雜，而有芯RFID標簽也是無源的，與無芯標簽相比，其設計相對容易。有芯RFID標簽由于芯片的存在使其略顯呆板，無芯RFID標簽卻相對靈活，但缺乏數據處理能力。有芯RFID標簽和無芯RFID標簽的讀取能力也有所不同。根據前人的研究，一次可以讀取1000個有芯RFID標簽，但實際上只能讀取一個無芯RFID標簽，盡管現有的理論說明可以同時記錄3個無芯標簽。在表1中比較了有芯RFID標簽和無芯RFID標簽。

表1 有芯RFID標簽和無芯RFID標簽的比較

圖片

無芯標簽的分類

1.第一類標簽

第一類標簽中含有額外的組件用于數據加密。在此類標簽中，標簽天線僅充當輻射器，而其他組件充當用于加密數據的反射器。標簽天線的設計使其在超寬帶頻率下工作，并提供一個全方位的模式。滿足這兩種要求的天線是圓盤加載單極子天線。標簽功能受標簽天線增益和帶寬影響。時域反射 (TDR) 標簽和重傳標簽屬于第一類標簽。

2.第二類標簽

在第2類中，標簽天線同時執行加密和反射從應答器到詢問器的響應的任務。這就意味著天線的功能就像一個反射器。此標簽天線要求產生高質量因數（Q因數），因此可以在窄帶寬下工作。微帶貼片天線可用于此類。第二類標簽包括反向散射標簽和EM圖像標簽。

3.第三類標簽

在第三類標簽中，不需要單獨的數據編碼元素。近場印刷線圈標簽天線屬于此類。這里的標簽天線的特性與第二類相似。

無芯RFID技術可以被分為兩類。第一代（1G）和第二代（2G）取決于內存處理能力和服務提供商的類型。在1G中，使用沒有標準的單一服務提供商。它們的內存處理能力非常有限。這一代無芯RFID標簽中使用的技術包括聲學、電磁和LC陣列。第二代無芯RFID使用具有全球標準的多個服務提供商。它們具有更高的內存處理能力，并且有可能取代條形碼。表面聲波（SAW），薄膜晶體管電路都用于這種類型的標簽。

綜上所述，第一類和第二類無芯RFID標簽主要應用于各種應用，例如溫度感知、壓力感知、PH感知、濕度感知等物聯網應用感知。無芯RFID標簽天線的特性如圖2所示。

圖2 標簽天線的關鍵特性

無芯RFID設備的設計挑戰

閱讀器的天線設計是無芯RFID系統面臨的第一個挑戰。無芯RFID工作在超寬帶（UWB）頻段，與有芯RFID相比，在該頻段中輻射的最大功率非常低。這種降低的傳輸功率導致更短的讀取范圍和更低的數據處理能力。由于發射功率很低，反向散射信號也很低，并且會受到環境噪聲的影響。

標簽天線的設計是開發無芯RFID系統所面臨的第二個挑戰。因為操作的頻帶較大，所以標簽尺寸較小。這限制了對詢問器的反向散射功率。可以通過使用天線陣列使得反向散射功率變得更高，但這也將會增加標簽的大小和設計的復雜性。因此，設計高效的標簽變得十分困難。

由于標簽缺乏對數據的處理能力，此時出現了另一個挑戰——提取信息。相關文獻當中也提出過同時檢測多個標簽的設計。為標簽選擇合適的材料也是一個很大的挑戰。

無芯射頻識別的應用

如今，RFID技術在醫療保健、生物醫學和物聯網(IoT)等領域的應用正在迅速發展。無芯RFID正在進入市場，傳統RFID由于IC芯片的存在而具有局限性，并且無芯RFID在物聯網、智能皮膚（SS）、5G等領域更具優勢。隨著近年來增材制造技術(AMT)效率的提高，無芯RFID被用于物聯網和毫米波5G蜂窩網絡、能量收集和存儲、反向散射通信前端、無源射頻組件、互連、封裝、和傳感器等。

1.溫濕度監控

濕度是用于食品儲存監測、封閉房間中的空氣質量測試或建筑物中的水害檢測的重要物理參數之一。無芯RFID傳感器可以滿足對低成本、靈活、無源的濕度傳感器的不斷增長的需求。無芯RFID溫度傳感器用于供應鏈管理中，不需要實時監控，而且可以在特定的時刻進行檢測。例如，在產品、化學品、藥品或爆炸性材料的運輸和存儲過程中，具體溫度值的變化非常重要。

2.醫療保健和生物醫學的應用

無芯RFID為醫療保健和可穿戴生物醫學應用提供了嶄新的外觀。有芯RFID標簽不適合可穿戴應用，因為芯片很容易損壞并導致連接方面的問題。無芯RFID標簽的使用壽命更長，可以輕松縫制在衣服上。無芯RFID傳感器在生理參數檢測方面扮演著非常重要的角色，如葡萄糖水平、血壓、體溫、酸堿度和心跳監測。

3.電氣設備局部放電檢測

在各種類型的電子傳感器中，射頻傳感器以其非侵入性和易于安裝而聞名。由于介質絕緣失效，在電氣設備中會發生局部放電（PD），如果未檢測到，則會導致整個系統嚴重故障。目前，已存在用于檢測電氣設備中局部放電的傳感系統。

無芯RFID還有幾種其他方面的應用，例如手勢識別、安全和認證、對管道進行涂層缺陷檢測和腐蝕預測、室內自定位、食品包裝等。無芯RFID的未來應用是無窮無盡的。

無芯射頻識別傳感器

傳感器有助于將與標簽環境有關的信息傳遞給閱讀器。因此，可以對物體進行實時的跟蹤和監視，并提高了信息質量。無芯RFID傳感器包括諧振電路中的集成傳感組件。傳感器可用于測量物理參數，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血壓、體溫、葡萄糖水平、心率等。除此之外，無芯RFID傳感器價格便宜，易于在紙張或塑料上打印。無芯RFID傳感器系統的示意圖如圖3所示。傳感器有助于將與標簽環境有關的信息傳遞給閱讀器。因此，可以對物體進行實時的跟蹤和監視，并提高了信息質量。無芯RFID傳感器包括諧振電路中的集成傳感組件。傳感器可用于測量物理參數，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血壓、體溫、葡萄糖水平、心率等。除此之外，無芯RFID傳感器價格便宜，易于在紙張或塑料上打印。無芯RFID傳感器系統的示意圖如圖3所示。

圖3 無芯RFID傳感器系統示意

當前的挑戰和未來的方向

無芯RFID技術以其在各種應用中的潛力為新世界鋪平了道路。未來，這些標簽的市場預計將是最大的。在許多情況下，無芯RFID標簽的功能要優于有芯標簽。因其面臨很多的挑戰，無芯RFID并未進入商業市場。本節重點介紹無芯RFID的挑戰及其未來的發展方向。

1.讀取準確性

無芯RFID不需要視線讀數。但是，如果標簽保持與讀取器天線正交，則無法準確讀取標簽ID。這個挑戰可以通過方向獨立的標簽來克服。而且，反向散射信號總是受到背景噪聲干擾的影響。可以在閱讀器中實現窗口技術和自干擾消除技術，以增強接收信號，從而提高準確性。

2.標簽價格

標簽成本高的主要原因是基材材料、油墨和所使用的印刷技術。可以采用低成本的紙張、塑料或木材，而不是使用昂貴的基材材料。此外，噴墨印刷和凹版印刷等印刷技術進一步降低了成本。

3.標簽多感知操作

有幾個應用，它們當中的兩個或多個參數需要被同時感知。多感知是有用的，尤其是在可穿戴的生物醫學應用中，例如，溫度、血壓、PH等參數應一次監測出來，但這通常是一個很大的挑戰。為了緩解這個問題，可以使用超材料。

4.標簽打印

如今可用的制造工藝（例如光刻）仍增加了無芯RFID的總成本。此外，諸如化學蝕刻和干法蝕刻之類的蝕刻工藝也不精確，因為它會通過蝕刻出比所需數量更多的銅來影響標簽的性能。因此，像噴墨打印這樣的打印技術是克服這一挑戰的最佳選擇。

5.數據存儲容量

無芯標簽中沒有芯片，因此其數據容量較小。盡管報告了具有高數據容量的無芯標簽，但在不增加標簽大小的情況下增加信息存儲能力的挑戰仍然存在。可以通過使用幾種混合編碼技術，或具有高Q因數的標簽設計，或使用整個超寬帶頻帶來緩解此問題。

6.防沖突

讀取無芯標簽的主要挑戰之一是讀取區域中存在更多數量的標簽。當標簽同時發送信號時，讀取器很難將信號進行分離。為了防止此問題，已經提出了幾種防碰撞算法，但當標簽在相似的頻率范圍內工作時，問題仍然存在。

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