‧ RFID 走熱 設計機會將激增

來源：《微波與射頻》作者：Jack Shandle

在今天早上你到達辦公室的那一刻為止，你可能在沒有意識到的情況下已經使用了4次射頻標籤(RFID)，分別是：在你插入車鑰匙、關閉發動機防盜鎖止系統電路之時;在你開車經過無人收費站自動付費之時;在你使用手機支付早上的熱牛奶咖啡之時;在你利用身份證件登記進入辦公室之時。RFID也許還沒有廣泛普及，但正在逐漸取得成功。

www.assaabloy.com

第一批由射頻輸入供電的無源應答器，可以追溯到20世紀70年代初，當時就像今天大多數各式各樣的RFID應用情景一樣。正是有了今天半導體技術的可喜進步，才使得RFID真正開始騰飛。

在商業市場中，RFID提供了史無前例的機會，通過提供非常細緻的資料，以及使支付和記錄保留等服務實現自動化，可以提高產能，並改善用戶體驗。RFID被廣泛用於各種應用，如牲畜身份辨識、零售庫存管理、病歷管理、電子不停車收費、電子護照，以及更近一些的手機，它們將是特定RFID技術的重要推手。

RFID標籤(RFID的身份部分)的市場正在快速增長，並有望得到加速發展。例如IDTechEx公司就預測，2021年無源RFID標籤數量，將從2011年的不到30億個增長到約2500億個。

從工程角度看，RFID不是一種單一技術，它隨頻率改變而有所變化。其可以採用許多種載波頻率，但其中三種占主導地位(見表1)。低頻(LF)使用125kHz至135kHz頻段，高頻(HF)工作在13.56MHz。UHF(超高頻)主要在865MHz至955MHz頻段中使用，雖然它也可能包含2.4GHz頻段。

表1：RFID頻段及應用

大多數RFID系統設計工作主要集中在讀取器系統。半導體公司設計和製造的應答器(標籤)的應用和特性，將主要決定讀取器的設計。一般來說，有兩種類型的標籤可以用來與讀取器通信：含嵌入式電池的有源標籤，和無電池的無源標籤。無源標籤更加常見，本文將只討論無源標籤。

電磁耦合在決定無源標籤的讀取範圍方面，發揮著重要的作用。LF和HF RFID系統使用電感耦合。能量通過共用磁場從讀取器線圈傳送到應答器(標籤)線圈。

LF和HF系統中的讀取器天線，會在一個被稱為近場的電磁區域中，創建一個強大磁場，範圍距天線最多約一個波長。這個磁場的強度足以喚醒標籤，並給它提供將身份資料，傳送給讀取器所需的電源。電感耦合還可以使用相同的能量，傳送機制用來寫標籤(圖1)。

圖1：用於LF和HF系統(包括NFC在內)的電感耦合發生在近場區域內。

UHF RFID系統工作在距天線約兩個波長到無限遠的“遠場”，可以實現比LF和HF系統更大的讀取範圍。標籤天線利用一種被稱為後向散射耦合的技術，接收讀取器天線的電磁能量，RFID晶片再使用這個能量，改變天線上的負載，並反射回包含身份資訊的改變信號。

在實際應用中，標籤是為特定應用設計的，在頻率、記憶體容量、支援的標準和天線設計方面都有變化。德州儀器(TI)公司的Tag-it HF-I Plus應答器在微小的矩形外形中提供了2kb的記憶體，適合用於產品鑒定、資產管理和供應鏈管理。它是一種工作在13.56MHz頻率的HF標籤。

在記憶體規模的另一端，恩智浦(NXP)公司的HITag μ應答器集成了128kb的記憶體。這是一種LF標籤，適合用於牲畜辨識、洗衣自動化以及啤酒桶和瓦斯桶的物流運輸。

設計目標

特定RFID系統讀取器的特性很大程度上取決於具體應用，雖然有一些目標跨越應用界限。就像在大多數工程項目中成本很重要，這通常意味著儘量減少材料清單，儘量提高標籤製造商提供的附加價值，如開發工具、參考設計和軟體。

機械設計應該堅固耐用，並提供防破壞保護功能。還要注意系統所在地政府的頻率分配。系統很容易部署和操作也很重要，因為最終用戶不是技術人員。

近場通信

功耗也非常重要，尤其是在電池供電的應用，例如帶嵌入式近場通信(NFC)功能的智慧手機中。雖然NFC是RFID技術的一個子集，但具有一些獨特的增強性能：

更短距離——NFC的工作距離特別短(<10cm span="">，因此可以防止一些偶然或未授權的鏈路活動。加密則確保了更高的安全性。

直觀的連結過程——NFC對最終使用者要求極低。舉例來說，具有NFC功能的智慧手機只需彼此或與NFC讀取器靠近或掃過一下就能啟動會話。

能夠與無源的RFID產品進行通信——NFC在自我供電設備之間的工作方式是傳統的方式。它也支援與非接觸式智慧卡或RF應答器等無源設備的通信。

與藍牙和Wi-Fi的協作——除了與RFID技術是補充關係外，NFC還具有與使用藍牙和Wi-Fi無線網路的設備，進行通信的內置功能。因此，NFC在現有技術之間提供了多協議橋接。

hippestphone.com

據IMS Research公司預測，NFC應用將快速增長，而手機是背後的主要驅動力。隨著製造商在手機產品中將無線通訊，與支付技術作為事實上的標準，具有NFC功能的手機數量，從2012年到2017年將增加10倍，達到12億部。今年交付的數量計畫將增加到2.68億部，在2012年的1.2億部基礎上增長123%。主要的NFC應用包括：

* 娛樂門票、乘坐計程車或任何POS應用的支付;商店代金券也可以儲存在NFC手機中。

* 使用NFC智慧手機實現安控大樓的身份驗證和門禁控制;還有電腦登錄、上鎖/解鎖車門等。

* 在智慧手機、數位相機和平板電腦等，NFC產品之間進行點到點的資料傳送。

* 與藍牙或Wi-Fi建立通信鏈路實現資料傳送。

* 提供對數位資訊的訪問，因為NFC設備將能夠從智慧海報，到NFC手機等產品讀取日程表;從智慧海報下載地圖;在你的手機上記錄你停車的地方。

NFC技術基礎

NFC工作在13.56MHz頻率範圍，資料傳送速率從106kbit/s到424kbit/s。為了儘量提高其有用性，該技術與舊版相容基於ISO/IEC 14443A和ISO/IEC 14443B的智慧卡協議，以及索尼的FeliCa卡(JIS X 6319-4)。

為了實現兩個NFC設備之間的資訊交換，業界開發了一種新的協議，並在ECMA-340和ISO/IEC 18092標準中對其進行了定義。NFC論壇開發了相關的規範，用於確保NFC產品的互通性。

NFC有三種工作模式。在卡片類比模式(無源模式)時，NFC設備像現有符合某個傳統標準的非接觸卡一樣工作。在讀/寫模式(有源模式)時，NFC設備是有源的，並讀取或寫入傳統的無源RFID標籤。在點對點模式中，兩個NFC設備交換資訊。發起設備(輪詢設備)的功耗比讀/寫模式低，因為目標(監聽設備)使用自己的電源。

三種傳統模式中每種都有自己的傳送技術：NFC-A(與舊版相容ISO/IEC 14443A);NFC-B(與舊版相容ISO/IEC 14443B);NFC-F(與舊版相容JIS X 6319-4)。為了支援傳統技術，NFC設備必須輪詢監聽設備(標籤)以確定使用哪種協定：NFC-A，NFC-B，或NFC-F(圖2)。