[科普中国]-微波标签

微波标签工作于2.45GHz的频段，支持ISO/IEC 18000-4标准中微波段的技术要求和无线非接触信息系统应用的标准空中接口。典型的应用中，标签的工作距离大于1米。系统包含两种模式：一种是阅读器先发指令的无源标签系统，另一种是标签先发指令的有源标签系统。

介绍微波频段从1～10GHz，但RFID应用仅使用其中的两个频段：2.45GHz和5.8GHz。微波标签可以是被动式类型、半被动式的，还可以是主动式的类型。被动式和半被动式标签采用反向散射的方式与读写器进行通信，而主动式标签使用它本身的发射器进行通信。被动式微波标签通常比被动式超高频标签要小，它们具有相同的读取范围，大约为5m。半被动式微波标签的读取范围为30m左右，但是主动式微波标签的读取范围可达100m。被动式微波标签由于需求量不大，比被动式超高频标签价格要高，只有很少的制造商生产这种标签。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波电子标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的读取距离。相关的国际标准有：ISO/IEC 1 8000．4(2．45GHz)、ISO/IEC 18000—5(5．8GHz)。

微波标签的天线是方向性的，有助于确定被动式和半被动式标签的读取区。由于微波波长更短，微波天线更容易设计成和金属物体一起发挥作用的形式。微波频段上的带宽更宽，同时跳频信道也更多。但是，在微波频段存在较多的干扰，原因在于很多家用设备，如无绳电话和微波炉，也使用这个频率。政府尚未就RFID微波频段的应用进行分配。半被动式RFID微波标签应用于车辆大范围的访问控制、舰艇识别和高速公路收费机，主动式微波标签应用于实时定位系统1。

应用微波识别系统及其分类在安全识别系统中，随着与微波有关的常用硬件和文章的急速增加，其在微波入侵报警系统、运动探测器、速度传感器、距离监控器，特别是在综合安全或工业控制系统标签读}机中，都显示出巨火的消费潜力。又由于能够使用相对廉价的数字装置和系统，解释并纠正了系统的缺陷(如高误报警率)等问题，降低了微波装置操作的复杂性。因此，在监控和测量任务中，这些特点都成为了广泛使用微波技术的重要因素。

在对人员和物品的识别方面应用一些无触点技术，对于简易的微波系统而言，可促进其广泛发展。在多数情况下，使用条形码标签和光学读卡机就能完成识别任务。例如，在超市交款台前被广泛应用的产品条码标签和扫描仪等。但是，在一些特定情况下，光学或磁性识别系统的工作性能并不可靠。一般来说，由于标签和读卡机其相对排列和近似性，或其工作在有烟雾或污染的环境下，都会影响标签的可读性。一个典型例子就是广泛应用予识别铁路货运乍的一种光学彩色条码读卡机系统。该系统除了要求将所有读膏机和彩色条码精确定位外，还要求条码上无污物和油脂，否则也会影响该系统的正常使用。所以许多私人公司利铁路代办处不得不寻找别的方法米解决此问题。这其中就包括使刚微波系统的方法。微波装置系统的优势就在于其具有比光学系统更宽的光束宽度，能够穿透大量的烟雾和污物，而且不需要精确的排列等。

微波识别系统一般都是由一台处在中心位置的讯问器和多个异频雷达收发机或标签组成。较复杂的系统则还需要高压源、高灵敏度的接收机和传输与讯问频率不同的高压响应信号等。本文所涉及的仅是较简易的识别系统，所使用的是廉价的能够粘贴于物品上便于定位和识别的低功率标签。根据是否需要电源供给可将其分为有源或是无源。无源标签通常需要外部电源，这些外部电源或通过RF纠偏获得，或是来自于讯问器的微波电压，也可以利用照明用太阳能电池的输出电压而获得。正因为这些标签没有明显与电源相连或不需电池替代，所以，可以把它们看成真正意义上的无源标签，或者也可以把它们看作是驱动型标签，因此又可把标签类型分为无源式、驱动式利电池式的。

1、无源式标签系统

贴在商店商品或图书馆二博籍上的防瓷标签，就是非编码无源标签的典型应用。这些标签由廉价的二极管倍频器构成的，它们能够发射出频率非常低的二次谐波信号。倍频能够提示读卡机在识别标签时发出警报声，并且当把标签在高电平电压下进行瞬时冲击后，标签就会失效。而另外一些编码系统则是由扫频讯问器和无源标签构成。这些标签包括各种类型的共鸣器，如LC电路、空穴或品振。当讯问器发射共鸣频率时，它们就能够干扰、切断或增强返回信号。通过在每个标签上使川较宽的扫频带宽和火量的共鸣器，利用计算扫频波形的返回时间就可将编码数据传送回讯问器内。刚以下过程来放人或替代扫频设备，即假设已知标签相对于讯问器的位置为移动的，使用物理意义上的扫描仪，发射一束聚焦的微波光束扫描标签，这些标签或是由能够反射的可变条纹利吸收性物质组成的，或是由一排共鸣器元素组成的，又或是由一系列指示性天线元素组成的。这些不同元素间的相对位置和间隔与条形码标签相似，将对返同到讯问器的反射信号进行调制。为确保有效，在使用这种无源标签系统时，必须将讯问器输出的大部分电压集中在目标标签上，以保证载有编码的返回扰动信号振幅在山现反射时立即被探测剑，并随频率和位置的变化而变化。

2、驱动式标签系统

在微波识别系统中，为了减少使用无源标签所造成的编码、灵敏度和定位的限制，在不使州电池作为电源的情况下，已经开始广泛使用一种具有较好机动性的编码技术。这种技术的传送结构最显著的特点就在于微波信号本身，其在短距离内的应用是非常有效的。

基本的驱动式微波标签有如下几种变化形式，如右图所示。先将在标签天线上接收到的讯问电压转换为所需的直流电压，然后在标签中的编码生成，调制和传送同路中运行。对于反射类型系统而言，接收电压的一个重要作用就是在编码后能够再次辐射，以使标签在接收输入能量和反射间进行转换，政是往两种天线元素的基础上再构建标签。根据天线型号、安全电压允许范围、持续暴光时间、编码复杂程度和在特殊用途中所需的运行范围间隔等不同，驱动式标签系统有多种形式。在这些因素中，前两项决定了标签所收集的微波功率的大小。持续暴光时间决定了编码脉冲所需充足能量的多少。编码的复杂程度和电路要求会影响到标签使用的电压。运行范围，即最大和最小范围，就是要考虑暴露在近距离区域内的人员和标签电平的安全性。

为了确定微波变直流的转换性能，可运用简单的标签兼容探测器的设计方案。在10.5GHz下，用几个二极管和安在HP5082-2217 Schottky光栅二极管上的一条微波传输带，通过运行几种不同阻值的负载电阻上的电压来获得，但效率会随驱动和负载的变化而大幅变化。尽管对于2GHz的大信号探测器而言，在最佳组合方式下的效率可达到40%，但比生产厂家所给山的标准数据还是低了一点。经由间隔为1l英寸的增益为15dB的喇叭天线，将从电源到同一探测器的微波电压进行反复测试，在几种不同驱动和负载条件下比较所测的输出电压，可发现存在15dB的整体损耗，这比使用那些64×86毫米孔径喇叭的传输损耗还多5dB。由右边两幅图片所显示的结果可以看出，即使在小负载低电压的情况下，探测器也能产生非常低的电压。由于最优效率的负载阻抗比标签负载的期望值低得多，所以考虑使用压升变压器将所产生的供应电压提高到标签所要求的水平。如果温度不是太低的话，使用cMOS装置就完全能在1V的供应电压下运行，但是许多电路和允许公差却要求在1.5至3.0V的范围内。用连在声频压升变压器和整流桥上的同一微波传输带探测器的输出结果来评价所使用的变压器，所产生的高输出电压利真接在喇叭式天线驱动情况下的比较结果如图4所示。最大效率出现大约300KQ处，这一点与在CMOS小标签负载条件下的使用情况是一致的。

3、电池运行的标签系统

简单的低速CMOS电路，例如常用的小型数字定时电路，能够在微型电池下工作很长时间。象这种单声、相位调制或反射信号的类型，通常只消耗很小的电流，消耗能源很少，在正常情况下，微型电池可用一年左右。因此，如果是复杂编码、高频率调制或直接传输类型，就需要消耗较多的能量。当然，如果电池大小不受限制的话，就可用大型电池来提供所需要的能源。但这在实际中不太可能。所以要解决电池大小与消耗能源多少之间的矛盾，可通过运用如只有接收信号才能激活电路的这类技术米实现。将CA3078AT微波操作放大器作为电平传感器，用一个CMOS开关驱动器和一个300 u A的负载搭建电路，就能实现几微秒的时间内将10uA的空转电流转换成工作电流。在二极管加倍装置的编码生成和调制过程中仅耗用1mw的能量，有数量超过一亿的编码信号进行响应。

总之，微波识别系统是由位于中心位置的微波讯问收发器和许多廉价的小标签(无源的、驱动的或是 电池供给的)组成的。通过将讯问器信号进行变化和反射或是传输不同频率的信号来获得可区分的 响应信号。运用各种编码生成和调制技术或是变频技术将识别数据返同到讯问器中。根据这些特点， 当定位或是排列受到限制，或是在别的系统不能正常工作的恶劣环境中，微波识别系统是非常具有潜力的2。

利用微波射频标签的自动装载和过磅系统利用微波射频标签的自动装载和过磅系统。通过括提货车辆、磅房和装载机，磅房入口和出口分别安装射频读写设备，装载机安装射频读写自动识别设备，提货车辆安装微波射频标签，磅房入口和出口的射频读写设备与射频读写自动识别设备分别通过无线网络将数据实时传回数据处理中心。这样的系统可以将原来一磅多人改变为一磅一人的模式，实现了解放人工，岗位分流的难题3。

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学