RFID技术及电磁兼容研究

    作者：宋起柱

    RFID是射频识别技术的英文(RadioFrequencyIdentification)缩写。

    射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术在世界范围内正得到广泛的应用，在我国，该技术及其应用处于初级发展阶段，存在技术水平不高、标准规范不完整等诸多问题。但同时，射频识别技术在我国又拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力，相对于条码技术而言，射频识别技术的发展和应用的推广将是我国自动识别行业的一场技术革命。但是崭新的无线技术在推动了相关产业发展的同时，假如使用不当势必会带来频率干扰，如何同现有无线电业务和平共处是本文所主要考虑的问题。

    1、RFID技术介绍

    射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。

    射频识别系统通常由电子标签(射频标签)和阅读器组成。电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标志性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标志性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。

    现阶段的RFID技术在全球主要有车辆识别、自动化生产线治理、家畜识别、身份识别、门禁治理等方面的应用。

    图1  RFID系统示意图

    表1  RFID技术的应用

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典型应用领域

具体应用

车辆自动识别治理

铁路车号自动识别是射频识别技术最普通的应用。

高速公路收费及智能交通系统

高速公路自动收费充分体现了非接触识别的优势，在车辆高速通过收费站的同时完成缴费，解决了交通的瓶颈问题，提高了车行速度，避免拥堵，提高了收费结算效率。

货物的跟踪、治理及监控

射频识别技术为货物的跟踪、治理及监控提供了快捷、准确、自动化的手段。以射频识别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围最大的货物跟踪治理应用。

仓储、配送等物流环节

射频识别技术目前在仓储、配送等物流环节已有许多成功的应用。随着射频识别技术在开放的物流环节统一标准的研究开发，物流业将成为射频识别技术最大的受益行业。

生产线产品加工过程自动控制

主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上，实现自动控制、监视，提高生产效率，节约成本。

动物跟踪和治理

射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖厂，可通过采用射频识别技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自动化治理牲畜的目的，同时为食品安全提供了保障。

    2、国际RFID技术特点及相关治理规则

    尽管RFID在不同频段有着不同的应用，但近年来被业内人士看好的技术是基于UHF频段的无线射频识别技术。从应用的趋势来看，现代物流业、商品零售业会广泛应用RFID技术，为什么UHF频段的RFID技术会成为全球热点?主要有以下几个需考虑的因素(见表2所示)。

    表2  UHF频段应用特点

    从几个要素中，我们发现UHF频段的读写距离在4～5米，从经典的无线传输模型公式(1)中

    　(1)

    (其中P1为标签的接收功率，Gr为发射功率，L为路径衰耗，λ为波长)，可以看出：

    假设发射机的功率是等同的，利用低频实现RFID，理论上将获得很大的接收功率，但标签的尺寸较大将影响市场的广泛应用；假如利用微波实现RFID的方案，尽管标签将变得较小，但路径衰耗较大，波长较短，接收功率是相当小的，极大地影响了读写距离。综合考虑，UHF频段的RFID将具有波长适中、远场耦合、标签较小、空间衰耗小、工作距离相对较远等优点，加上IC智能卡技术不断的成熟，TAG标签的价格将不断走低，更为其广泛应用奠定了必要的基础。所以UHF频段的RFID技术将服务于全世界成为不争的事实。

    基于RFID的技术特点和潜在的应用空间，国际相关无线电治理机构已经开始进行频率规划工作，并制定了相应的治理政策，笔者对此进行了简单的整理，具体情况如表3所示。

    表3  世界各国RFID频率规划概况

    从表3我们可以清楚地看到，已作规划的国家和地区，RFID的频率使用大致在860～960MHz频段，这已经成为国际主流趋势，同我们上述所作的技术分析的结论是吻合的。

    各国政府除了对RFID的Reader(读写器)的发射功率作了相关规定外，对占用带宽、调制方式、调频数目均作了相关的规定。如：

    (1)欧盟规定信道间隔为200kHz，在865.6～867.6MHz的2MHz的频带内，读写器发射功率小于2W(E.R.P)；在856～856.6MHz的三个信道使用时，读写器发射功率须小于100mW；在867.6～868MHz的两个信道使用时，读写器发射功率小于500mW。所以实际上在欧洲使用的RFID设备的信道间隔为200kHz，有10个功率可以达到2W的跳频信道。

    (2)美国FCC机构规定美国FCC将902～928MHz这一频段划分为工、科、医(ISM)频段，所以对于信道划分以及带外辐射的要求相对宽松，要求信道间隔不超过500kHz即可，所答应的发射机最大发射功率小于4W(E.I.R.P)。所以目前美国市场上所使用的设备信道间隔以500kHz为主流，而且由于有相对较宽的26MHz的频带使用，所以跳频信道个数也在50个以上，读写器的发射功率基本上为4W(E.I.R.P)。

    (3)调制方式主要以FSK(带副载波)、ASK、PSK较简单的制式为主，未来可能出现较复杂的数字调制方式。

    (4)标签的天线尽管没有规定，但趋势是使用半波偶极子天线，因为它所能辐射的面积较大，达到1.64λ2/4π，增益因子为1.64。

    3、RFID发射设备电磁兼容性研究情况

    我国的无线电治理机构正积极开展RFID的频率规划和指配工作，并启动了相关技术研究工作。我国所从事的频率规划工作的指导原则应是：

    (1)必须确保现有业务的正常运行，在专用频段、公众移动通信、集群通信频段不能安排此项业务；

    (2)需要进行RFID业务与现有业务的共存条件研究，需进行大量深入细致的电磁兼容分析和实验；在电磁兼容分析和实验的基础上制订出RFID工作频带、发射功率、带外发射、杂散发射等指标，必要时要制订配套的相关台站治理规定；

    (3)制订设备的无线技术指标时，要考虑满足RFID业务在中国的大规模有效使用的频带、信道带宽、带外杂散、发射功率的相关要求。既要考虑保护现有无线电业务，又要考虑RFID设备的技术制造难度和制造成本。

    显而易见，电磁兼容性实验作为频率规划的重要的技术支撑手段是十分必要的，电磁兼容工作实际上就是关于无线电频谱资源的有效利用和合理分配的问题，是对新技术、新制式无线通信进行频率规划必需的技术研究工作。

    表4是我国在860～960MHz频段的频率规划和指配情况。

    表4  我国860～960MHz频段频率规划和指配情况

CDMA下行频段

GSM上行频段

无中心对讲机(业务较少)

点对点立体声广播传输(业务较少)

航空导航业务

GSM下行频段

870—880MHz

870—880MHz

915—917MHz

917—925MHz

925—930MHz

930～960MHz

    我们针对UHF频段的相关已存在的业务进行了RFID设备的兼容性测试(RFID读写器样品带外杂散发射测试图样例见图2)，由于标签相对读写器来说功率较小，测试主要考虑读写器对公众蜂窝通信的影响，非凡是对易发生邻频干扰的GSM网络。对无中心对讲机系统也进行了相关的实验室环境干扰测试。我们所使用的测试环境为EMC10米法半电波暗室、5米法全电波暗室，以及相关的真实环境。实验室测试配置如图3所示。

    图2  RFID读写器样品带外杂散发射测试图举例

    图3  实验室测试配置

    通过测试，我们发现读写设备同其他邻近频段无线电业务在近距离使用的情况下，当Reader开启时，对邻近无线电业务有相应的影响，这主要来自开关机噪声的干扰；在工作环境较近的情况下(如1米以内)，由于读写器的带外噪声对临近业务会有稍微的邻道干扰。上述干扰，可以通过调整频率的必要带宽、发射功率大小和带外发射特性等措施加以消除。通过相关试验，笔者谈一些个人建议：

    (1)RFID设备实际使用时较理想的使用模式应是跳频模式。

    (2)考虑到将来的大容量标签所需的更高的读取速率，需要设备能够提供足够的必要带宽。

    (3)大功率的设备较难实现比较好的带外特性，小功率的设备比较轻易实现较好的带外特性，考虑到对相邻频段业务的保护，建议RFID设备发射功率能够满足应用即可。带外发射以及杂散发射必须满足信息产业部无线电治理局的相关文件以及国家有关标准之规定。

    (4)为了防止RFID设备的电源端口、电信端口、信号端口耦合的传导骚扰通过电源线、电信电缆或内部连接电缆向空间辐射电磁波，建议RFID设备的电源端口、电信端口、信号端口的传导骚扰满足GB9254-1998《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》的相关要求。

    (5)考虑到RFID设备可能在较恶劣的环境中试用，有可能由于环境温度、湿度以及工作电压的变化而引起设备射频性能的变化，建议对RFID设备进行极限条件下的射频性能测试，具体要求参照相关的国家标准。