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射频

射频(RF)是Radio Frequency的缩写,表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围从300KHz~300GHz之间。射频简称RF射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。高频(大于10K);射频(300K-300G)是高频的较高频段;微波频段(300M-300G)又是射频的较高频段。

在电子学理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,称为电磁波。在电磁波频率低于100khz时,电磁波会被地表吸收,不能形成有效的传输,但电磁波频率高于100kHz时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频;射频技术在无线通信领域中被广泛使用,有线电视系统就是采用射频传输方式。 [1]

最基本的 RFID 系统由三部分组成:

1.标签(Tag,即射频卡):由耦合元件及芯片组成,标签含有内置天线,用于和射频天线间进行通信;

2.阅读器:读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备;

3.天线:在标签和读取器间传递射频信号。有些系统还通过阅读器的 RS232 或 RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接,进行数据交换。

目前定义 RFID 产品的工作频率有低频、高频和甚高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品,而且不同频段的 RFID 产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式。 [2]

低频(从 125KHz 到 134KHz)其实 RFID 技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作, 也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用. 磁场区域能够很好的被定义,但是场强下降的太快。 [2]

特性:

工作在低频的感应器的一般工作频率从 120KHz 到 134KHz, TI 的工作频率为134.2KHz。该频段的波长大约为 2500m;

1.除了金属材料影响外, 一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

2.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

3.低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵,但是有 10 年以上的使用寿命。

4.虽然该频率的磁场区域下降很快, 但是能够产生相对均匀的读写区域。

5.相对于其他频段的 RFID 产品,该频段数据传输速率比较慢。

6.感应器的价格相对与其他频段来说要贵。

主要应用:
  
畜牧业的管理系统;汽车防盗和无钥匙开门系统的应用; 马拉松赛跑系统的应用;自动停车场收费和车辆管理系统;自动加油系统的应用;酒店门锁系统的应用;门禁和安全管理系统。

高频(工作频率为 13.56MHz)在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制,可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式 的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化, 实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开, 那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

特性:

1.工作频率为 13.56MHz,该频率的波长大概为 22m;

2. 除了金属材料外,该频率的波长可以穿过大多数的材料, 但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段距离;

3.该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制;

4. 感应器一般以电子标签的形式;

5.虽然该频率的磁场区域下降很快, 但是能够产生相对均匀的读写区域;

6.该系统具有防冲撞特性,可以同时读取多个电子标签;

7.可以把某些数据信息写入标签中;

8. 数据传输速率比低频要快, 价格不是很贵。

主要应用:

图书管理系统的应用;液化气钢瓶的管理应用; 服装生产线和物流系统的管理和应用;三表预收费系统;酒店门锁的管理和应用;大型会议人员通道系统;固定资产的管理系统;医药物流系统的管理和应用;智能货架的管理。

甚高频(工作频率为 860MHz 到 960MHz之间甚高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快, 但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远,无源可达 10m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。

特性:

1.在该频段,全球的定义不是很相同-欧洲和部分亚洲定义的频率为 868MHz,北美定义的频段为 902 MHz 到 905MHz 之间,在日本建议的频段为 950 MHz 到 956 MHz 之间。该频段的波长大概为 30cm 左右。

2.目前,该频段功率输出目前统一的定义(美国定义为 4W, 欧洲定义为 500mW)。

3.甚高频频段的电波不能通过许多材料, 特别是水, 灰尘, 雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说, 该频段的电子标签不需要和金属分开来。

4.电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计,满足不同应用的需求。

5.该频段有好的读取距离,但是对读取区域很难进行定义。

6.有很高的数据传输速率, 在很短的时间可以读取大量的电子标签。

主要应用:

供应链上的管理和应用;生产线自动化的管理和应用; 航空包裹的管理和应用;集装箱的管理和应用;铁路包裹的管理和应用;后勤管理系统的应用;大规模人员进出管理的应用。

有源 RFID 技术( 2.45GHz、 5.8GHz)有源 RFID 具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大,可靠性高和兼容性好等特点,与无源 RFID 相比,在技术上的优势非常明显。被广泛地应用到公路收费、港口货运管理、人员定位管理等应用中。但是使用此频段具有很强的方向性,并且在接收区域内如有金属物体的话,金属物体对该频段的射频会产生折射和反射, 从而影响射频接收器的信号读写。 [2]

系统的基本工作流程是:阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。

在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、 SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面,不同的非接触传输方法有根本的区别,但所有的阅读器在功能原理上,以及由此决定的设计构造上都很相似,所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器,其功能包括:产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量;对发射信号进行调制, 用于将数据传送给射频卡;接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。

阅读器的控制单元的功能包括:与应用系统软件进行通信,并执行应用系统软件发来的命令;控制与射频卡的通信过程(主-从原则);信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法,对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密,以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。

无线射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前,长距离无线射频识别系统的价格还很贵,因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的 RF 输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的 Q 值、 天线方向、 阅读器和射频卡的耦合度,以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的,写入距离大约是读取距离的 40%~80%。

各种射频常用计算单位,是深入地理解射频概念的必备基础知识之一;绝对功率的dB表示 [3] 射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示,它与mW、W的换算关系如下:

例如信号功率为x W,利用dBm表示时其大小为:

例如:1W等于30dBm,等于0dBW。

1mW等于0dBm。

相对功率的dB表示射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示,其区别在于:

dB是任意两个功率的比值的对数表示形式;而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。

例如:30dBm - 0dBm = 30 dB

天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比,dBd是指相对于半波振子Dipole 的功率能量密度之比,半波振子的增益为2.15dBi,因此0dBd=2.15dBi。

电阻:阻挡电流通过的物体或物质,从而把电能转化为热能或其它形式的能量,单位:欧姆,Ω

电压:电位或电位差,单位:伏特,V

电流:单位时间内通过电路上某一确定点的电荷数,单位:安培,A

电感:线圈环绕着的东西,通常是导线,由于电磁感应的原因,线圈可产生电动势能,单位:亨利,H

电容:一个充电的绝缘导电物体潜在具有的最大电荷率,单位:法拉,F

在整个射频通信中,主要包含以下几种频率:传输频率、接收频率、中频和基带频率。基带频率是用来调制数据的信号频率。而真正的传输频率则比基带频率高很多,一般的频谱范围是500MHz到38GHz,数据信号也是在此高频下进行传输的。一般来说,射频系统具有非常强大的传输调制信号的功能,即使在有干扰信号和阻断信号[z2] 的情况下,该系统也可以做到以最高的质量发送并且以最好的灵敏度接收调制信号。阻断信号主要有两种:带内阻断信号和带外阻断信号。带外阻断信号是指分布在信号频谱之外的无关信号,例如由其它无线传输技术产生的数据信号。带内阻断信号则分布在我们感兴趣的信号频谱之内,例如由相同的无线传输技术在其它终端产生的数据信号。对于无线通信而言,要成功地实现射频接收功能,必须要过滤掉这两种阻断信号。 中频多被用来作为传输/接受频率和基带频率的过渡,而这种传输方式正是超外差结构的基础。一般而言,带外阻断信号可以被天线自带的滤波器过滤掉。而中频的存在使我们有机会在信号被混合到基带频率并做数字处理之前将带内阻断信号滤除。另一方面,在发送端,中频常被用来滤除所有从基带转换到中频这个过程中可能产生的伪数据和噪声。

采用超外差结构的另外一种实现方法是利用中频采样来减少信号链上的器件个数。这种方法选择在中频对信号进行采样,而不是在采样前先将信号混合到基带。在第一种超外差结构中,从中频到基带的转换过程需要以下器件:本机锁相环、智能解调器(混频器)和双向ADC(模拟-数字转换器)。如果选择在中频进行采样,那这三个器件可以用一个高性能的ADC来代替。这不仅可以降低信号链的复杂程度,还可以提高信号解调的质量。

但是,如果在下行基带转换器里应用高质量智能解调器,也能得到非常好的通信效果。如果能使本机锁相环和射频器件的漏电足够小,基带的直流失调便可最小化。除此之外,解调器的相位分离功能可以做到非常准确的90度的相位分离,这将确保信号解调时,误差向量的值不会变坏或者只是变坏一点。最后,如果我们在使用智能解调器的同时,使用一个具有低相位噪声的锁相环,将会确保基带输出信号的低噪声,并且因此获得一个好的位错误率(BER)。

因为ADC要在越来越高的频率下工作,所以中频采样结构的功耗变得比第一种超外差结构越来越高,并因此而越来越昂贵,这是中频采样结构的最主要的缺点。由于这个原因,基于中频采样的射频结构往往更适合那些在相对低频或者中频的应用,毕竟这些频段对成本的影响不大。不过随着科技的发展,尤其是CMOS工艺的引进,使得集成高性能的器件和电路的价格越来越低,在不远的将来,中频采样结构将不再是一种昂贵的选择。

在射频通信中应用的第三种结构由于直接转换结构直接将基带信号和射频信号在同一进程中混合在一起,这使得该结构的信号链路最为简单,它所需要的元器件最少。与其它两种结构不同的是,它将不需要中频处理和声表面波(SAW)滤波器。

直接转换结构的主要优点是:价格便宜、小型化、低功耗,并且没有中频转换相关器件。这些优点使得这种结构非常适合在低功耗、便携式终端的应用。尽管如此,一些高性能器件的使用为直接转换结构应用在高端市场打开了方便之门。事实上,正是这些高性能器件的使用,使得直接转换结构受到越来越多的关注。

由于在直接转换结构中没有中频处理单元,带内阻断信号的功率将直接传递到混频器和模数转换器(如果信号链路上含有模数转换器)。低噪声的混频器将确保弱信号不会被噪声和阻断信号所淹没。另外,由于混频器具有高的输出摆幅和低的失真,阻断信号既不会过驱动整个系统也不会调制到我们需要的载波信号上。

对于基带超外差接收器,如果在本机锁相环和射频输入之间存在泄漏通路,就一定会产生直流失调。对于和全球移动通信系统类似的支持跳频的一些射频应用来说,频率的跳变将导致本机锁相环路漏电的改变,并最终导致整个系统的直流失调的跳变。如果要纠正它,必须在系统中引入一个直流失调的补偿环路。尽管如此,在那些不需要跳频的应用中,本机锁相环的漏电是不变的,因此动态直流失调的补偿意义不大。

在传输端,由于不能有效降低带内噪声和失真,采用直接转换结构的射频发射机必须是由那些动态范围大的元器件构成。

在基站的相关应用中,由于面积和频道密度要被重点考虑,直接转换结构尤其被看好。因为从基站的角度看,带内阻断信号是不存在的(也就是说基站自己将处理带内阻断信号),所以,即使直接转换结构缺乏滤除带内阻断信号的功能也是可以接受的。

当然,选择何种射频电路结构应该由市场应用来决定。这些指导设计的因素包括:从设计到产品进入市场的时间、成本、外形、功能指标、灵活性、能否支持多种不同的应用模式等等。如何针对一个确定的应用去选择合适的射频结构不在本文的介绍范围之内。但是可以明确的是,如今一些射频器件制造商已经可以提供各种针对性的服务以帮助我们设计合适的射频系统,在整个结构设计的过程中,他们甚至可以提供几位富有经验的工程师为我们答疑解惑。 [4]

射频除皱是一种非侵入式的治疗方式,是目前一个最为安全,最有效果的美容去皱方法之一。

射频除皱的原理是:射频波穿透表皮基底黑色素细胞的屏障,使真皮层胶原纤维加热至55℃-65℃,胶原纤维收缩,使松弛的皮肤皱纹被拉紧,从而达到美容去皱的目的。

射频除皱特点

特点1:高效,实验证明,射频除皱能有效刺激胶原蛋白重组,紧致肌肤、减少皱纹,治疗后满意度较高。

特点2:安全,射频除皱系统能保护表皮层,达到即安全又高效的满意效果,比其它非侵入式的治疗安全性更高。此外,治疗后没有恢复期,患者可以立即恢复日常作息,免去了其它治疗后所必须的注意事项。

特点3:持久,治疗后,因新生的胶原蛋白一直延续不断产生,皮肤天天都会有改善。且会在46个月左右达到更加显著,令人满意的效果。 [4]

射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大类;根据电子标签内是否装有电池为其供电,又可将其分为有源系统和无源系统两大类;从电子标签内保存的信息注入的方式可将其分为集成电路固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类;根据读取电子标签数据的技术实现手段,可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类。 [4]

1.低频系统一般指其工作频率小于30MHz,典型的工作频率有:125KHz、225KHz、13.56MHz等,这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短(无源情况,典型阅读距离为10cm)电子标签外形多样(卡状、环状、钮扣状、笔状)、阅读天线方向性不强等。

2.高频系统一般指其工作频率大于400MHz,典型的工作频段有:915MHz、2450MHz、5800MHz等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几米至十几米),适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。

3.有源电子标签内装有电池,一般具有较远的阅读距离,不足之处是电池的寿命有限(3~10年);无源电子标签内无电池,它接收到阅读器(读出装置)发出的微波信号后,将部分微波能量转化为直流电供自己工作,一般可做到免维护。相比有源系统,无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。

生产RFID产品的很多公司都采用自己的标准,国际上还没有统一的标准。ISO18OOO。应用最多的是ISO14443和ISO15693,这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。

按照不同得方式,射频卡有以下几种分类:

1. 按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源,其作用距离较远,但寿命有限、体积较大、成本高,且不适合在恶劣环境下工作;无源卡内无电池,它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电,其作用距离相对有源卡短,但寿命长且对工作环境要求不高。

2. 按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125kHz和134.2kHz两种,中频射频卡频率主要为13.56MHz,高频射频卡主要为433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统;高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合,其天线波束方向较窄且价格较高,在火车监控、高速公路收费等系统中应用。 [5]

3. 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器;被动式射频卡使用调制散射方式发射数据,它必须利用读写器的载波来调制自己的信号,该类技术适合用在门禁或交通应用中,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下,用调制散射方式,读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中,距离更远(可达30米)。 [5]

4. 按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1厘米)、近耦合卡(作用距离小于15厘米)、疏耦合卡(作用距离约1米)和远距离卡(作用距离从1米到10米,甚至更远)。

5. 按芯片分为只读卡、读写卡和CPU卡。 [5]

1.功率/电平(dBm):放大器的输出能力,一般单位为w、mw、dBm

2.增益(dB):即放大倍数,单位可表示为分贝(dB)。

注:dBm是取1mw作基准值,以分贝表示的绝对功率电平。换算公式:

电平(dBm)=10lgmw

5W → 10lg5000=37dBm

10W → 10lg10000=40dBm

20W → 10lg20000=43dBm

从上不难看出,功率每增加一倍,电平值增加3dB

即:dB=10lgA(A为功率放大倍数)

3.插损:当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减,单位用dB表示。

4.选择性:衡量工作频带内的增益及带外辐射的抑制能力。-3dB带宽即增益下降3dB时的带宽,-40dB、-60dB同理。

5.驻波比(回波损耗):行驻波状态时,波腹电压与波节电压之比(VSWR)

附:驻波比回波损耗对照表:

SWR 1.2 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50

回波损耗(dB) 21 19 17.6 16.6 15.6 14.0

注:根据回波损耗(RL)的计算驻波比(SWR)关系式为SWR=[10^(RL/20)+1]/[[10^(RL/20)-1]]。

6.三阶交调:若存在两个正弦信号ω1和ω2 由于非线性作用将产生许多互调分量,其中的2ω1-ω2和2ω2-ω1两个频率分量称为三阶交调分量,其功率P3和信号ω1或ω2的功率之比称三阶交调系数M3。

即M3 =10lg P3/P1 (dBc)

7.噪声系数:一般定义为输入信噪比与输出信噪比的比值,实际使用中化为分贝来计算。单位用dB。

8.耦合度:耦合端口与输入端口的功率比, 单位用dB。

9.隔离度:本振或信号泄露到其他端口的功率与原有功率之比,单位dB。

10.天线增益(dB):指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想各向同性天线均匀辐射场场强E0相比,以功率密度增加的倍数定义为增益。Ga=E2/ E02

11.天线方向图:是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。方向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。

E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图;

H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。

一般是方向图越宽,增益越低;方向图越窄,增益越高。

12.天线前后比:指最大正向增益与最大反向增益之比,用分贝表示。

13.单工:亦称单频单工制,即收发使用同一频率,由于接收和发送使用同一个频率,所以收发不能同时进行,称为单工。

14.双工:亦称异频双工制,即收发使用两个不同频率,任何一方在发话的同时都能收到对方的讲话。单工、双工都属于移动通信的工作方式。

15.放大器:(amplifier)用以实现信号放大的电路。

16.滤波器:(filter)通过有用频率信号抑制无用频率信号的部件或设备

17.衰减器:(attenuator) 在相当宽的频段范围内一种相移为零、其衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的、由电阻元件组成的四端网络,其主要用途是调整电路中信号大小、改善阻抗匹配。

功分器:进行功率分配的器件。有二、三、四….功分器;接头类型分N头(50Ω)、SMA头(50Ω)、和F头(75Ω)三种。

18.耦合器:从主干通道中提取出部分信号的器件。按耦合度大小分为5.10.15.20…. dB不同规格;从基站提取信号可用大功率耦合器(300W),其耦合度可从30~65dB中选用;耦合器的接头多采用N头。

19.负 载:终端在某一电路(如放大器)或电器输出端口,接收电功率的元/器件、部件或装置统称为负载。对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。

20.环形器:使信号单方向传输的器件。

21.转接头:把不同类型的传输线连接在一起的装置。

22.馈 线:是传输高频电流的传输线。

23.天 线:(antenna)是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流。


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