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射頻識別(RFID)系統的頻段特性及其應用現狀分析
作者：昆明理工大學機械電子工程學院 李富玉 李浙昆
來源：RFID世界網
日期：2007-09-05 15:09:33
摘要：本文在介紹射頻識別(R F I D)技術的工作原理及其組成的基礎上，提出了頻段的概念，并詳細分析了射頻識別系統在不同工作頻段的特性及其應用現狀。
1概述
射頻識別(RFID)技術相對于傳統的磁卡及I C卡技術具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點，射頻識別技術已逐步成為企業提高物流供應鏈管理水平、降低成本、增強競爭力不可缺少的技術工具和手段。
1．1RFID技術概述
RFID是射頻識別技術(Radio Frequency Identification)，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現對靜止的或移動中的待識別物品的自動機器識別。一個最基本的RFID系統由三部分組成：電子標簽、閱讀器、天線。電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件(天線)實現射頻信號的空間耦合。系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活電子標簽將自身編碼等信息通過卡內置天線發送出去系統接收天線 接收到從電子標簽發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。
1．2頻段
對一個RFID系統來說，它的頻段概念是指讀寫器通過天線發送、接收并識讀的標簽信號頻率范圍，也就是所傳輸數據的載波頻率范圍。從應用角度來說，射頻標簽的工作頻率也就是射頻識別系統的工作頻段，它直接決定系統應用的各方面特性，如系統工作原理(電感耦合還是電磁耦合)、識別距離、射頻標簽及讀寫器實現的難易程度和設備成本等方面特性。在RFID系統中，系統工作就像我們平時收聽調頻廣播一樣，射頻標簽和讀寫器也要調制到相同的頻率才能工作。
2頻段特性
2．1頻段劃分
一方面由于標簽的工作頻率不僅直接決定著系統應用的各方面特性，另一方面因為射頻識別系統產生并輻射電磁波，因此在工作時不能對其他無線電服務造成干擾或削弱。特別是應保證射頻識別系統不會干擾附近的無線電廣播和電視廣播、無線電服務(警察、安全服務、工商業)、航運和航空用無線電服務和移動電話等。所以RFID系統被合理地歸為短距離、微功率無線通信設備一類。 隨著技術的發展，RFID技術與互聯網相結合，能夠實現人與人、人與機、機對機的數據通信，而且具有信息量大、操作方便、用途廣泛等突出優點，RFID系統已被視為便攜互聯網(或便攜互聯網通信終端)的組成部分。
按規定射頻識別系統應保證在工作時不會干擾附近的各類無線電業務，這在很大程度上限制了適用于射頻識別系統工作頻段的選擇。因此在過去很長時間以來，通常只能使用專門為工業、科學和醫療設備(I S M Industrial—Scientific-Medica1)應用而劃分和保留的頻段，即與它們共用全部或部分的頻段，這些頻段在世界范圍內是統一劃分的。國際電聯(ITU)為ISM 設備劃分了專用頻段或與其他無線電業務共用的頻段，我國2001年發布實施的《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》中有關IsM設備使用頻段的劃分與國際電聯(ITU)的基本一致。除了ISM頻率外，也有極少量RFID系統使用135kHz以下的專用頻段，如北美、南美和日本等，使用了9～135 kHz的頻率，因為在這個頻段里可以利用較大的磁場強度來工作，特別適用于電感耦合的射頻識別系統。但該頻段資源極有限，可載信息量小。
由此，對射頻識別系統來說，最主要的頻率是0～135kHz，以及IsM頻段6．78MHz，1 3．56M HZ，27．125M H Z，40．68M HZ，433．92MHz，869．0MHz，915．0MHz(在歐洲不使用)，2．45GHz，5．8GHz以及24．125GHz。典型的射頻標簽工作頻段如圖1所示。
另外，按照工作頻段的不同，RFID標簽可分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。目前國際上廣泛采用的頻段主要有4種：低頻(1 25kHZ)、高頻(1 3．54MHz)、超高頻(85OMHz～910MHZ)和微波(2．45GHz)。每一種頻段都有它的特點，適用于不同的領域，因此要正確使用就要先了解各個頻段的特性，才能選擇合適的頻段。
2．2頻段特性
2．2．1低頻段(30kHz～300kHz)
低頻率的RFID系統主要是通過電感耦合的方式進行工作， 也就是在讀寫器線圈和感應器(電子標簽)線圈間存在著變壓器耦合作用，通過讀寫器交變場的作用在感應器天線中感應的電壓被整流，可作供電電壓使用．場區域能夠很好的被定義，但是場強下降得太快。其特性主要有以下幾方面：
工作頻率從30kHz到300kHz，典型工作頻率有125kHz和133kHzI除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制；低頻產品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴，但是有1O年以上的使用壽命雖然該頻率的磁場區域下降很快，但是能夠產生相對均勻的讀寫區域相對于其他頻段的RFID產品，該頻段數據傳輸速率比較慢感應器的價格相對與其他頻段來說要貴。
2．2．2中高頻段(3MHz～3OMHz)
在該頻段的感應器不再需要線圈進行繞制，可以通過腐蝕活著印刷的方式制作天線。感應器一般通過負載調制的方式進行工作，也就是通過感應器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發生變化，實現用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調制。如果人們通過數據控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數據就能夠從感應器傳輸到讀寫器。
其特性主要有以下幾方面：工作頻率從3MHz到30MHz，典型工作頻率有6．78 MHz和13．56MHz； 除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數的材料，但是往往會降低讀取距離。感應器需要離開金屬一段距離，該頻段在全球都得到認可并沒有特殊的限制；感應器一般以電子標簽的形式雖然該頻段的磁場區域下降很快，但是能夠產生相對均勻的讀寫區域；該系統具有防沖撞特性，可以同時讀取多個電子標簽；可以把某些數據信息寫入標簽中；數據傳輸速率比低頻要快，價格不是很貴。
2．2．3超高頻段(433．05～434．79 MHz或850MHz～9l0MHZ)與微波頻段(2．45GHz))
超高頻和微波系統通過電場來傳輸能量。電場的能量下降不是很快，但是讀取的區域不容易定義。該頻段讀取距離比較遠，無源可達10m左右。主要是通過電容耦合的方式實現。
其特性主要有以下幾方面：
在該頻段，全球的定義不是很相同：歐洲和部分亞洲定義的頻率為868MHz，北美定義的頻段為902到905MHz之間，在日本建議的頻頻段為950到956MHz之間。典型工作頻率有433．92MHz，862(902)～928MHz，2．定義的段為902到905MHz之間，在日本建議的頻段為950到965MHz之間。典型工作頻率有433．92MHZ，862 (902) 928MHZ，2．45M HZ，5．8GHz。
目前，該頻段功率輸出美國定義為4W，歐洲定義為500roW，可能歐洲限制會上升到2WEIRP。
許多材料中超高頻段的電波不能通過在，特別是水，灰塵，霧等懸浮顆粒物質。相對于高頻的電子標簽來說，該頻段的電子標簽不需要和金屬分開來。電子標簽的天線一般是長條和標簽狀。天線有線性和圓極化兩種設計，滿足不同應用的需求。該頻段有好的讀取距離，但是對讀取區域很難進行定義。有很高的數據傳輸速率，在很短的時間可以讀取大量的電子標簽。
3不同頻段RFID系統的應用現狀
3．1低頻段(LF)射頻標簽
低頻段射頻標簽，一般為無源標簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽與閱讀器之間傳送數據時，低頻標簽需位于閱讀器天線輻射的近場區內。低頻標簽的閱讀距離一般情況下小于lm。低頻標簽主要用于短距離、低成本的系統中，其典型應用主要有：動物監管、馬拉松賽跑、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜(帶有內置應答器的汽車鑰匙)、自動停車場收費和車輛管理等方面。
3．2中高頻段射頻標簽
中高頻段射頻標簽，一般也采用無源為主，其工作能量同低頻標簽一樣，也是通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。標簽與閱讀器進行數據交換時，標簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區內。中頻標簽的閱讀距離一般情況下也小于lm。中頻標簽由于可方便地做成卡狀，故被廣泛應用于門禁控制和需傳送大量數據的應用系統中。
3．3超高頻(UHF)與微波頻段的射頻標簽
超高頻與微波頻段的射頻標簽簡稱為微波射頻標簽， 可分為有源標簽與無源標簽兩類。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場的遠區場內，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應的射頻識別系統閱讀距離一般大干1m ，典型情況為4m ～6m，最大可達1 0 m 以上。閱讀器天線一般均為定向天線，其天線波束方向較窄，只有在閱讀器天線定向波束范圍內的射頻標簽可被讀／寫。由于閱讀距離的增加，應用中有可能在閱讀區域中同時出現多個射頻標簽的情況，從而提出了多標簽同時讀取的需求。超高頻標簽主要用于鐵路車輛自動識別、集裝箱識別、反向散射射頻識別、供應鏈上的管理、航空包裹識別、后勤管理、生產線自動化管理，還可用于公路車輛識別與自動收費等領域。
目前，不同的國家對于相同波段，使用的頻率也不盡相同，在實際應用中，比較常用的是l 3．56MHZ，860MHZ～960M HZ、2．45GHz等頻段。近距離RFID系統主要使用125KHz，l3．56MHz等LF和HF頻段，技術最為成熟，遠距離R FI D 系統主要使用433MHz，860MHz～960MHz等UHF頻段，以及2．45GHz，5．8GHz等微波頻段，目前還多在測試當中，沒有大規模應用。我國在LF和HF頻段RFID標簽芯片設計方面的技術比較成熟，HF頻段方面的設計技術接近國際先進水平，已經自主開發出符合ISO14443 TypeA、Type B和Is015693標準的RFID芯片，并成功地應用于交通一卡通和第二代身份證等項目中。
參考文獻
[1]希玉九．電子標簽(RFID)技術及其使用的頻率[J]．中國無線電，2004(1)
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射頻識別(RFID)技術相對于傳統的磁卡及I C卡技術具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點，射頻識別技術已逐步成為企業提高物流供應鏈管理水平、降低成本、增強競爭力不可缺少的技術工具和手段。
1．1RFID技術概述
RFID是射頻識別技術(Radio Frequency Identification)，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現對靜止的或移動中的待識別物品的自動機器識別。一個最基本的RFID系統由三部分組成：電子標簽、閱讀器、天線。電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件(天線)實現射頻信號的空間耦合。系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活電子標簽將自身編碼等信息通過卡內置天線發送出去系統接收天線 接收到從電子標簽發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。
1．2頻段
對一個RFID系統來說，它的頻段概念是指讀寫器通過天線發送、接收并識讀的標簽信號頻率范圍，也就是所傳輸數據的載波頻率范圍。從應用角度來說，射頻標簽的工作頻率也就是射頻識別系統的工作頻段，它直接決定系統應用的各方面特性，如系統工作原理(電感耦合還是電磁耦合)、識別距離、射頻標簽及讀寫器實現的難易程度和設備成本等方面特性。在RFID系統中，系統工作就像我們平時收聽調頻廣播一樣，射頻標簽和讀寫器也要調制到相同的頻率才能工作。
2頻段特性
2．1頻段劃分
一方面由于標簽的工作頻率不僅直接決定著系統應用的各方面特性，另一方面因為射頻識別系統產生并輻射電磁波，因此在工作時不能對其他無線電服務造成干擾或削弱。特別是應保證射頻識別系統不會干擾附近的無線電廣播和電視廣播、無線電服務(警察、安全服務、工商業)、航運和航空用無線電服務和移動電話等。所以RFID系統被合理地歸為短距離、微功率無線通信設備一類。 隨著技術的發展，RFID技術與互聯網相結合，能夠實現人與人、人與機、機對機的數據通信，而且具有信息量大、操作方便、用途廣泛等突出優點，RFID系統已被視為便攜互聯網(或便攜互聯網通信終端)的組成部分。
按規定射頻識別系統應保證在工作時不會干擾附近的各類無線電業務，這在很大程度上限制了適用于射頻識別系統工作頻段的選擇。因此在過去很長時間以來，通常只能使用專門為工業、科學和醫療設備(I S M Industrial—Scientific-Medica1)應用而劃分和保留的頻段，即與它們共用全部或部分的頻段，這些頻段在世界范圍內是統一劃分的。國際電聯(ITU)為ISM 設備劃分了專用頻段或與其他無線電業務共用的頻段，我國2001年發布實施的《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》中有關IsM設備使用頻段的劃分與國際電聯(ITU)的基本一致。除了ISM頻率外，也有極少量RFID系統使用135kHz以下的專用頻段，如北美、南美和日本等，使用了9～135 kHz的頻率，因為在這個頻段里可以利用較大的磁場強度來工作，特別適用于電感耦合的射頻識別系統。但該頻段資源極有限，可載信息量小。
由此，對射頻識別系統來說，最主要的頻率是0～135kHz，以及IsM頻段6．78MHz，1 3．56M HZ，27．125M H Z，40．68M HZ，433．92MHz，869．0MHz，915．0MHz(在歐洲不使用)，2．45GHz，5．8GHz以及24．125GHz。典型的射頻標簽工作頻段如圖1所示。
另外，按照工作頻段的不同，RFID標簽可分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。目前國際上廣泛采用的頻段主要有4種：低頻(1 25kHZ)、高頻(1 3．54MHz)、超高頻(85OMHz～910MHZ)和微波(2．45GHz)。每一種頻段都有它的特點，適用于不同的領域，因此要正確使用就要先了解各個頻段的特性，才能選擇合適的頻段。
2．2頻段特性
2．2．1低頻段(30kHz～300kHz)
低頻率的RFID系統主要是通過電感耦合的方式進行工作， 也就是在讀寫器線圈和感應器(電子標簽)線圈間存在著變壓器耦合作用，通過讀寫器交變場的作用在感應器天線中感應的電壓被整流，可作供電電壓使用．場區域能夠很好的被定義，但是場強下降得太快。其特性主要有以下幾方面：
工作頻率從30kHz到300kHz，典型工作頻率有125kHz和133kHzI除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制；低頻產品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴，但是有1O年以上的使用壽命雖然該頻率的磁場區域下降很快，但是能夠產生相對均勻的讀寫區域相對于其他頻段的RFID產品，該頻段數據傳輸速率比較慢感應器的價格相對與其他頻段來說要貴。
2．2．2中高頻段(3MHz～3OMHz)
在該頻段的感應器不再需要線圈進行繞制，可以通過腐蝕活著印刷的方式制作天線。感應器一般通過負載調制的方式進行工作，也就是通過感應器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發生變化，實現用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調制。如果人們通過數據控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數據就能夠從感應器傳輸到讀寫器。
其特性主要有以下幾方面：工作頻率從3MHz到30MHz，典型工作頻率有6．78 MHz和13．56MHz； 除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數的材料，但是往往會降低讀取距離。感應器需要離開金屬一段距離，該頻段在全球都得到認可并沒有特殊的限制；感應器一般以電子標簽的形式雖然該頻段的磁場區域下降很快，但是能夠產生相對均勻的讀寫區域；該系統具有防沖撞特性，可以同時讀取多個電子標簽；可以把某些數據信息寫入標簽中；數據傳輸速率比低頻要快，價格不是很貴。
2．2．3超高頻段(433．05～434．79 MHz或850MHz～9l0MHZ)與微波頻段(2．45GHz))
超高頻和微波系統通過電場來傳輸能量。電場的能量下降不是很快，但是讀取的區域不容易定義。該頻段讀取距離比較遠，無源可達10m左右。主要是通過電容耦合的方式實現。
其特性主要有以下幾方面：
在該頻段，全球的定義不是很相同：歐洲和部分亞洲定義的頻率為868MHz，北美定義的頻段為902到905MHz之間，在日本建議的頻頻段為950到956MHz之間。典型工作頻率有433．92MHz，862(902)～928MHz，2．定義的段為902到905MHz之間，在日本建議的頻段為950到965MHz之間。典型工作頻率有433．92MHZ，862 (902) 928MHZ，2．45M HZ，5．8GHz。
目前，該頻段功率輸出美國定義為4W，歐洲定義為500roW，可能歐洲限制會上升到2WEIRP。
許多材料中超高頻段的電波不能通過在，特別是水，灰塵，霧等懸浮顆粒物質。相對于高頻的電子標簽來說，該頻段的電子標簽不需要和金屬分開來。電子標簽的天線一般是長條和標簽狀。天線有線性和圓極化兩種設計，滿足不同應用的需求。該頻段有好的讀取距離，但是對讀取區域很難進行定義。有很高的數據傳輸速率，在很短的時間可以讀取大量的電子標簽。
3不同頻段RFID系統的應用現狀
3．1低頻段(LF)射頻標簽
低頻段射頻標簽，一般為無源標簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽與閱讀器之間傳送數據時，低頻標簽需位于閱讀器天線輻射的近場區內。低頻標簽的閱讀距離一般情況下小于lm。低頻標簽主要用于短距離、低成本的系統中，其典型應用主要有：動物監管、馬拉松賽跑、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜(帶有內置應答器的汽車鑰匙)、自動停車場收費和車輛管理等方面。
3．2中高頻段射頻標簽
中高頻段射頻標簽，一般也采用無源為主，其工作能量同低頻標簽一樣，也是通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。標簽與閱讀器進行數據交換時，標簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區內。中頻標簽的閱讀距離一般情況下也小于lm。中頻標簽由于可方便地做成卡狀，故被廣泛應用于門禁控制和需傳送大量數據的應用系統中。
3．3超高頻(UHF)與微波頻段的射頻標簽
超高頻與微波頻段的射頻標簽簡稱為微波射頻標簽， 可分為有源標簽與無源標簽兩類。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場的遠區場內，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應的射頻識別系統閱讀距離一般大干1m ，典型情況為4m ～6m，最大可達1 0 m 以上。閱讀器天線一般均為定向天線，其天線波束方向較窄，只有在閱讀器天線定向波束范圍內的射頻標簽可被讀／寫。由于閱讀距離的增加，應用中有可能在閱讀區域中同時出現多個射頻標簽的情況，從而提出了多標簽同時讀取的需求。超高頻標簽主要用于鐵路車輛自動識別、集裝箱識別、反向散射射頻識別、供應鏈上的管理、航空包裹識別、后勤管理、生產線自動化管理，還可用于公路車輛識別與自動收費等領域。
目前，不同的國家對于相同波段，使用的頻率也不盡相同，在實際應用中，比較常用的是l 3．56MHZ，860MHZ～960M HZ、2．45GHz等頻段。近距離RFID系統主要使用125KHz，l3．56MHz等LF和HF頻段，技術最為成熟，遠距離R FI D 系統主要使用433MHz，860MHz～960MHz等UHF頻段，以及2．45GHz，5．8GHz等微波頻段，目前還多在測試當中，沒有大規模應用。我國在LF和HF頻段RFID標簽芯片設計方面的技術比較成熟，HF頻段方面的設計技術接近國際先進水平，已經自主開發出符合ISO14443 TypeA、Type B和Is015693標準的RFID芯片，并成功地應用于交通一卡通和第二代身份證等項目中。
參考文獻
[1]希玉九．電子標簽(RFID)技術及其使用的頻率[J]．中國無線電，2004(1)
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