RFID技術是物聯網技術中的重要工具和實現手段，憑借着RFID技術獨有的特點：遠距離識别、多目标識别。RFID技術構成了物聯網以及各種工業自動化領域的基石。但是，由于RFID技術同傳統的識别技術存在明顯的差别，需要在應用過程中根據本身應用的技術特點予以注意。隻有識别并注意這些影響因素，RFID技術才能真正的體現出不同于其他識别技術的優勢。

圖1 各種自動識别系統

在各種自動識别技術中，二維碼識别和語音識别技術目前應用較為廣泛，兩者都伴随着各種智能終端的發展而快速普及。兩種技術在應用之初，使用者就已經對其技術有一定的認識，比如：在使用二維碼識别技術時，需要二維碼清晰可變，應用環境光照适宜，如常見的支付場景;而在使用語音識别技術時，通常使用者都會選擇在比較安靜的場所，對準話筒并适當提高音量，如使用微信語音聊天時。

在使用RFID技術時，使用者或者測試者應注意哪些問題呢?

射頻識别系統在應用過程中由于是通過無線傳輸實現識别過程，将遇到天線的擺放與标簽應用相對方向的情況，在兩者相互作用的過程中，由于兩者都是天線，都存在極化和方向性問題，都會對系統的作用距離産生極大的影響。與此同時，系統中的天線還受到外界環境的影響，下面将分别進行解讀。

1天線極化

天線的極化通常指天線輻射電磁波中電場的方向，也就是時變電場矢量端點運動軌迹的形狀、取向和旋轉方向。常見的有電場矢量端點軌迹呈直線、橢圓和圓形等形狀。

當RFID系統使用線極化天線識讀線極化射頻标簽，因為極化方向的問題。為了達到最好的識讀效果和最遠的作用距離，要求兩者極化方向必須相同。當兩者極化方向并不相同時，識讀效果和作用距離将随着夾角的增大迅速變差，當兩者垂直正交時，理論上标簽無法被識讀。他們之間的關系可以用來描述，其中，理解為兩個矢量：對應線性天線和線性标簽的方向性，而則是兩個矢量的夾角，夾角越大，兩個矢量的點乘就越小。當夾角達到90°時，乘積為0。

下面通過測試說明：測試所使用的設備為Voyantic公司生産的明星産品——Tagformance标簽性能測試系統，Tagformance标簽性能測試系統已廣泛應用于世界各地實驗室、科研機構、标簽設計生産廠家、系統集成商與RFID終端用戶。該測試系統将RFID測試技術能力提升到一個新水平，國外近百篇科技出版物談及Tagformance标簽性能測試系統和其它Voyantic産品。著名的阿肯色大學RFID研發中心采用的就是Tagformance标簽性能測試系統。

測試對測試環境有要求：周圍40cm範圍内，不允許有大金屬存在，防止引入其他影響。

該系統使用線極化天線，如圖7所示，通過設置掃頻900MHz~930MHz，獲得标簽的激活靈敏度，如下圖所示：

圖11 天線與标簽夾角為0°時标簽的激活靈敏度

天線與标簽夾角為0°時所測得的标簽前向激活靈敏度比較優秀，尤其在907MHz~909MHz這一段，表現非常優秀。對應的前線鍊路識讀距離見下圖所示：

圖12 天線與标簽夾角為0°時标簽對應的前向識讀距離

與上面圖11對應，圖12中顯示天線與标簽夾角為0°時所測得的标簽前向識讀距離整體表現很好，在整個測試頻段，均超過了10米。尤其在907MHz~909MHz這一段甚至超過了13米，表現非常優秀。

将标簽調整方向，以圖所示的方式進行标簽測試，分别得到在天線與标簽夾角為45°時标簽的激活靈敏度和對應的前向識讀距離。如圖13和圖14所示，标簽旋轉45°後，标簽的激活靈敏度和前向鍊路的識讀距離均明顯變差，即RFID系統的作用距離變差了。當線極化天線與線極化标簽存在45°夾角的時，在讀寫器發射功率不變的情況下，标簽接收到的能量減小了，最終導緻作用距離變小。

圖13 天線與标簽夾角為45°時标簽的激活靈敏度

圖14 天線與标簽夾角為45°時标簽對應的前向識讀距離

同樣,将标簽調整方向，以圖10所示的方式進行标簽測試，分别得到在天線與标簽夾角為90°時标簽的激活靈敏度和對應的前向識讀距離。标簽旋轉90°後，讀寫器僅能在900MHz~909MHz的範圍内識讀标簽，并且在這段工作頻率中，前向鍊路識讀距離僅有1米左右。圖15與圖16中綠色标記處顯示讀寫器與标簽之間的識讀功能基本喪失。所以，當線極化天線與線極化标簽存在90°夾角的時，在讀寫器發射功率不變的情況下，測試曲線不連續，一部分頻點無返回信号，标簽基本很難接收到能量，最終導緻系統功能的喪失。

圖15 天線與标簽夾角為90°時标簽的激活靈敏度

圖16 天線與标簽夾角為90°時标簽對應的前向識讀距離

通過将以上三組數據整合到一起進行對比，如下圖。

圖17 天線與标簽不同夾角條件下标簽激活靈敏度

圖18 天線與标簽不同夾角條件下标簽識讀距離

而對于反向散射鍊路，由于标簽反向散射信号的生成都是基于标簽對前向信号獲取的能量(有源标簽的反向信号不同于無源标簽，這裡僅僅通過無源标簽來說明)。其實，對于無源标簽所有功能的實現，都是依靠來自于對于讀寫器的前向信号。所以對于無源标簽而言，理論上，前向信号越好代表标簽獲取的能量越大，反向信号越好，兩者呈正相關。

通過數據，已經比較直觀的反應天線的極化對于采用線極化天線标簽的作用距離的影響。對于這種系統，在日常應用過程中必須注意。

而對于采用圓極化天線的讀寫器，在同等的發射功率下，圓極化電磁場可以分解為兩個正交的線極化電磁場。當圓極化天線配合線極化标簽使用時，圓極化電磁場等同正交的兩個線極化電磁場，與标簽極化方向相同的電磁場用于激活标簽，與标簽極化方向正交的電磁場則毫無作用，由于圓極化天線所激活的全部電磁場僅有一半用于激活标簽，所以其作用效果沒有線極化天線效果好，因為在同樣的發射功率下，線極化激活的全部電磁場均用于激活标簽，而圓極化天線僅僅有一半，從數值上講，兩者相差3dB。當采用圓極化标簽時，配合線極化天線使用時作用距離表現尚可，配合圓極化天線性能表現最差。

2天線的方向性

在無線通信領域，天線是不可缺少的組成部分。各種信息加載與電磁波時，都需要經由天線才能完成信号的傳輸。同時，天線不隻是傳播信号，非信号的能量輻射的發射和接收也都是由天線來完成。作為全部電磁波的收發端口，天線對于RFID系統非常重要，它是決定RFID性能的關鍵部件。

作為電磁波在空間傳播的收發器件，天線的方向性就顯得尤為重要。天線之所以多種多樣，往往都是由于天線的方向方面的用途所決定的。按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等;按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等。對于天線，它的輻射場非常重要，任何一種天線都有其對應的方向性并表現出不同的輻射特性。應用在不同領域的天線就是根據在該領域中的天線輻射特性來進行天線的選擇和優化的。舉例說明，雷達，用于偵測不明飛行器，需要天線陣發射的電磁波盡可能的接近呈一束，具有良好的指向性;而對于通信用基站天線，考慮到覆蓋用戶面積因素，需要天線盡可能将能量集中在一個區域内，這樣才能保證該區域内的用戶的通信需求。

下面以偶極子天線進行說明：

圖19 偶極子天線E-plant面增益示意圖

前面提到，全向天線是不存在的，圖19顯示球坐标系中偶極子天線在E-plant面的輻射方向圖。可以發現在角0°和-180°時這兩個方向上，天線在這兩個方向上基本不發射能量，随着角度的變化，天線在對應的角度上的增益逐漸變大，并在90°和-90°達到最大，為增益最大方向。

圖20 偶極子天線H-plant面增益示意圖

圖20顯示偶極子天線H-plant面的增益情況，在這一平面分别有兩個圓形增益軌迹，分别對應0°和90°的增益。在H-plant面上，天線是各向同性的——在H-plant面上，增益在各個方向上是相同的。對應不同的H-plant面，增益大小不同，0°的增益圓最小，在圖45上以小圈表示，而90°的增益圓最大，在圖45以大圓圈表示。

圖21 偶極子天線增益的3D視圖

圖21以3D的視角展示了偶極子天線的增益分布情況。天線在Z軸方向(天線平行方向)增益最低，并随着角度增加，增益變大，當角達到90°時，增益達到最大，并且增益不随着角的改變而變化。從圖21中也可以通過顔色更加直觀的辨别出——紅顔色代表的增益最好;藍色代表的增益最差。整體呈現蘋果狀向周圍輻射。

對于RFID系統，需要結合實際應用需求來選擇天線種類。RFID系統工作距離主要與讀寫器向電子标簽的激活能量有關系。天線是具有方向性的。天線無法保證在各個方向上的輻射功率是相同的，全向天線是不存在的。這就要求，在RFID系統中，對于天線的使用就必須要考慮天線的方向性。

在RFID系統實際應用中，讀寫器天線與标簽天線的相對位置關系除了考慮天線和标簽的極化方向問題，還應盡量将各自的最大增益方向調整至在它們之間的直線上，這樣才能保證RFID系統在應用過程中有更好的性能表現，獲得最好的識讀距離，最大程度上提高客戶的使用體驗。

3外界環境影響

雖然，RFID産品在設計過程中會考慮各種外界環境對系統的影響，包括：高低溫、高濕熱、雨雪、鹽霧以及灰塵等。但，即使是這樣，設備的使用也無法無視環境條件、氣候條件。在特殊情況下，特殊的環境條件和氣候條件都是對設備的制約，這種制約同樣适用于射頻識别系統。

射頻識别系統作為無線通信系統的一部分，必須遵循無線電傳輸的基本要求。除天線和标簽外，均可以通過安裝等手段進行防護和優化，包括：使用屏蔽手段保護系統數據線、電源線以及射頻信号線纜，通過保證線纜彎曲半徑等手段來保證信号可以在線纜中，以最好的形式進行傳輸而最大程度地抑制反射信号;同時，通過各種手段保證系統的IP防護等級、環境适應性以及振動要求。但是對于天線和标簽部分，必須将這兩部分暴露在空間中，用于實現射頻信号的發送與接收。恰恰是天線和标簽部分，是系統中最容易被影響的部分。從射頻識别系統角度看天線，天線就是讀寫器内部電路向以空間為傳輸介質的電路形式的延伸。所以如上文讨論，天線本身帶有的方向性屬性是客觀存在的，并不因無法用肉眼觀察而不存在。所以，系統尤其是針對天線和标簽，在安裝和使用過程中必須考慮天線和标簽周圍環境問題，特别是非金屬環境以及不同介質的影響。下面主要讨論不同介質對于天線的影響。

射頻信号作為無線電波，除了遵循麥克斯韋方程外，其傳播過程中會受其傳輸介質的影響。當天線設計完成後，保證其周圍應用環境的前提下，其天線的空間特性已經确定。當天線的物理形态沒有發生改變的情況下，其空間特性不會發生明顯的變化。在實際應用過程中，RFID标簽識讀率不高、識讀距離不遠，往往都是破壞了天線對芯片的匹配以及天線本身對于環境的要求。

目前，絕大部分UHF(特高頻)标簽采用偶極子天線設計，其特點是：

無論是發射天線還是接受天線，它們總是在一定的頻率範圍内工作;

從減低帶外幹擾信号的角度考慮，選填項的帶寬剛好滿足條件即可;

因為其工作頻率與射頻信号波長相關。所以通過計算，電子标簽物理尺寸與波長關系為

其中：

當電磁波經過偶極天線附近時，電磁波進入該天線的基材，其電磁波波長發生變化，對應上面的公式。電磁波在該介質中的波長與标簽天線尺寸可以相比較，通過天線作用，電磁波将由天線轉化為電信号(包括電壓或者電流)。天線這時完成對該頻率電磁波的接收過程。

但是，當标簽粘貼在其他物質表面(非推薦表面)，比如包裝箱等材料上，将導緻偶極子天線周圍介電常數變化，如下圖示：

圖22 标簽疊層方式示意-空氣中

圖23 标簽疊層方式示意-外加黏貼材料

通常可以使用如下公式估算：

由于額外介質的存在，甚至的多種介質的複雜條件，介電常數将明顯升高。所以，套用上面公式，可以很明顯的算出，當标簽粘貼在介質上面，會導緻電磁波在介質中波長縮短。在天線物理長度沒有變化的情況下，顯然介質中的電磁波波長與天線的物理尺寸的可比性被破壞。這樣，帶來兩個主要影響：

一方面導緻電磁波的波長與偶極子天線波長的不匹配。由于電磁波長度在介質中的變化，而不适應與原本的天線長度。在這種情況下，天線的物理長度無法随之改變。進而導緻标簽的頻響曲線向低端偏移。實際的結果就是，偶極子天線的工作頻率向低端移動，天線在當下介質條件下，對于電磁波的頻率選擇發生了變化，可以理解為該天線更匹配頻率較低、波長較長的天線。

另一方面，當标簽未使用在其推薦的介質或者環境中時，由于标簽天線對于周圍金屬環境的寄生效應，将改變天線端口處的天線阻抗，在這個過程中，天線與芯片間的反射增大，駐波比變差，天線效率變壞，最終導緻标簽的識讀距離降低、識讀率下降、乃至于無法使用。

通過以上可以判定，标簽粘貼使用後在不同介質條件下，其工作點必然偏移，其偏移量的大小取決于被黏貼物的相對介電常數。通過對不同标簽配合不同粘貼物的研究，其數據将直接指導标簽的用途，判斷标簽的性能。

下面以标簽為例進行說明不同條件、不同場景對标簽性能的影響：

使用Voyantic公司的Tagformance測試系統對Alien公司的标簽-ALN-9610進行測試，測試條件符合标準對于周圍環境以及氣候溫度的要求。測試條件為空氣中，沒有粘貼标識物。圖24顯示了該标簽從850MHz到970MHz這個頻段的靈敏度對于頻率的響應。該靈敏度并不能直觀體現出該标簽的性能。

圖24 标簽ALN-9610在空氣中的激活靈敏度

圖25 标簽ALN-9610在空氣中的前向識讀距離

圖25将激活阈值轉化為識讀距離，這樣更加直觀的體現出該标簽在空氣中的性能表現。

圖26 标簽ALN-9610在不同條件下的激活靈敏度

搭建不同場景，将标簽分别放置在書、瓦楞紙箱以及聚氨酯泡棉上，通過該測試系統獲取到不同條件下标簽ALN-9610激活靈敏度的響應。圖26顯示，不同條件下，該标簽的激活靈敏度差異性很大，尤其是應用在書本的情況下，激活該标簽需要比較大的能量——說明該标簽在實際應用中，并不适用于該種條件。相比較應用在書本的情況，應用在泡棉上，ALN-9610标簽表現尚可，應用在瓦楞紙箱上的情況下，該标簽性能表現比較優異，整體的激活靈敏度較低，且在整個頻帶表現均衡。

圖27 标簽ALN-9610在不同條件下的前向識讀距離

圖27以更加直觀的方式展示了型号為ALN-9610标簽在不同标識物上的性能表現。同圖26中所展示的一樣，該款标簽的應用條件是存在明顯的選擇性的，這也證明，該款标簽在設計的時候就有這明确的應用範圍和使用邊界，該款标簽在實際應用過程中，本着發揮标簽最佳性能、最大化提高客戶體驗的前提下，該類标簽的應用範圍不應超出其設計邊界。

總結

盡管RFID技術有着其他自動識别技術所無法比拟的優勢，但是在實際測試和日常應用過程中，還需要對該技術的應用邊界加以注意，通過相應的流程管理來規避該技術在實際應用中的問題，做到物盡其用，充分發揮RFID技術在工作和生活中的巨大潛力和作用。

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