无芯RFID技术概述

2023年8月12日14:46:34评论9 views字数 8954阅读29分50秒阅读模式

摘要

RFID技术是自动识别技术之一，是一种广泛使用的无线技术，它采用低功率无线电波来自动识别标记对象，并从中获取数据。尽管多年来光学条形码因其成本低一直占据主导地位，但它们的读取距离受限，信息存储容量低，以及需要大量人工干预操作。传统RFID克服了上述光学条形码的缺点，但RFID的成本却变成了一个非常重要的问题。本文回顾了无芯RFID，它比现有的自动识别技术受益良多，概述了传统RFID和无芯RFID标签的比较、无芯标签的分类以及其设备设计方面的问题和应用等，最后讨论了无芯RFID面临的挑战及未来的研究方向。

RFID简介

RFID系统主要由两个部分组成：读写器和标签。读写器又包括中间件和相关硬件。中间件充当读写器的控制部件。硬件包括询问器电路和天线。RFID询问器的控制单元包括处理器、存储单元、模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。标签是RFID系统的灵魂，包含识别码。标签主要包含：用于执行调制、解调、编码、解码以及数据存储和数据处理的专用集成电路，多谐振器（无芯标签中），以及天线。只有在RFID读写器工作范围内才可以识别标签，而且读写器和标签之间的通信也容易受到环境的干扰。

图1描绘了基本RFID系统的示意图。读写器向标签发送电磁（EM）波。标签将能量/信号反向散射或重新传输给读写器，其中包含必要的信息。中间件解读读写器捕获的数据，并以要求的格式提供给用户。用户可以是进行进一步信号处理的主机，它可以连接到互联网上，以便从全球任何地方访问数据。

图1 基本RFID系统示意图

有芯RFID标签和无芯RFID标签

RFID系统由于成本较高因而无法替代条形码技术。RFID标签内嵌有IC芯片组，使其成本大约为条形码的10倍，因此其开发是一项艰巨的任务。有芯RFID与无芯RFID相比发射天线的功率更高，覆盖的读取距离更大。因此，无芯RFID适用于近场应用。无芯RFID使用反向散射原理使其无法具有较高的信息存储能力。无芯RFID标签是无源的，其设计复杂，而有芯RFID标签也是无源的，与无芯标签相比，其设计相对容易。有芯RFID标签由于芯片的存在使其略显呆板，无芯RFID标签却相对灵活，但缺乏数据处理能力。有芯RFID标签和无芯RFID标签的读取能力也有所不同。根据前人的研究，一次可以读取1000个有芯RFID标签，但实际上只能读取一个无芯RFID标签，尽管现有的理论说明可以同时记录3个无芯标签。在表1中比较了有芯RFID标签和无芯RFID标签。

表1 有芯RFID标签和无芯RFID标签的比较

无芯标签的分类

1.第一类标签

第一类标签中含有额外的组件用于数据加密。在此类标签中，标签天线仅充当辐射器，而其他组件充当用于加密数据的反射器。标签天线的设计使其在超宽带频率下工作，并提供一个全方位的模式。满足这两种要求的天线是圆盘加载单极子天线。标签功能受标签天线增益和带宽影响。时域反射 (TDR) 标签和重传标签属于第一类标签。

2.第二类标签

在第2类中，标签天线同时执行加密和反射从应答器到询问器的响应的任务。这就意味着天线的功能就像一个反射器。此标签天线要求产生高质量因数（Q因数），因此可以在窄带宽下工作。微带贴片天线可用于此类。第二类标签包括反向散射标签和EM图像标签。

3.第三类标签

在第三类标签中，不需要单独的数据编码元素。近场印刷线圈标签天线属于此类。这里的标签天线的特性与第二类相似。

无芯RFID技术可以被分为两类。第一代（1G）和第二代（2G）取决于内存处理能力和服务提供商的类型。在1G中，使用没有标准的单一服务提供商。它们的内存处理能力非常有限。这一代无芯RFID标签中使用的技术包括声学、电磁和LC阵列。第二代无芯RFID使用具有全球标准的多个服务提供商。它们具有更高的内存处理能力，并且有可能取代条形码。表面声波（SAW），薄膜晶体管电路都用于这种类型的标签。

综上所述，第一类和第二类无芯RFID标签主要应用于各种应用，例如温度感知、压力感知、PH感知、湿度感知等物联网应用感知。无芯RFID标签天线的特性如图2所示。

图2 标签天线的关键特性

无芯RFID设备的设计挑战

阅读器的天线设计是无芯RFID系统面临的第一个挑战。无芯RFID工作在超宽带（UWB）频段，与有芯RFID相比，在该频段中辐射的最大功率非常低。这种降低的传输功率导致更短的读取范围和更低的数据处理能力。由于发射功率很低，反向散射信号也很低，并且会受到环境噪声的影响。

标签天线的设计是开发无芯RFID系统所面临的第二个挑战。因为操作的频带较大，所以标签尺寸较小。这限制了对询问器的反向散射功率。可以通过使用天线阵列使得反向散射功率变得更高，但这也将会增加标签的大小和设计的复杂性。因此，设计高效的标签变得十分困难。

由于标签缺乏对数据的处理能力，此时出现了另一个挑战——提取信息。相关文献当中也提出过同时检测多个标签的设计。为标签选择合适的材料也是一个很大的挑战。

无芯射频识别的应用

如今，RFID技术在医疗保健、生物医学和物联网(IoT)等领域的应用正在迅速发展。无芯RFID正在进入市场，传统RFID由于IC芯片的存在而具有局限性，并且无芯RFID在物联网、智能皮肤（SS）、5G等领域更具优势。随着近年来增材制造技术(AMT)效率的提高，无芯RFID被用于物联网和毫米波5G蜂窝网络、能量收集和存储、反向散射通信前端、无源射频组件、互连、封装、和传感器等。

1.温湿度监控

湿度是用于食品储存监测、封闭房间中的空气质量测试或建筑物中的水害检测的重要物理参数之一。无芯RFID传感器可以满足对低成本、灵活、无源的湿度传感器的不断增长的需求。无芯RFID温度传感器用于供应链管理中，不需要实时监控，而且可以在特定的时刻进行检测。例如，在产品、化学品、药品或爆炸性材料的运输和存储过程中，具体温度值的变化非常重要。

2.医疗保健和生物医学的应用

无芯RFID为医疗保健和可穿戴生物医学应用提供了崭新的外观。有芯RFID标签不适合可穿戴应用，因为芯片很容易损坏并导致连接方面的问题。无芯RFID标签的使用寿命更长，可以轻松缝制在衣服上。无芯RFID传感器在生理参数检测方面扮演着非常重要的角色，如葡萄糖水平、血压、体温、酸碱度和心跳监测。

3.电气设备局部放电检测

在各种类型的电子传感器中，射频传感器以其非侵入性和易于安装而闻名。由于介质绝缘失效，在电气设备中会发生局部放电（PD），如果未检测到，则会导致整个系统严重故障。目前，已存在用于检测电气设备中局部放电的传感系统。

无芯RFID还有几种其他方面的应用，例如手势识别、安全和认证、对管道进行涂层缺陷检测和腐蚀预测、室内自定位、食品包装等。无芯RFID的未来应用是无穷无尽的。

无芯射频识别传感器

传感器有助于将与标签环境有关的信息传递给阅读器。因此，可以对物体进行实时的跟踪和监视，并提高了信息质量。无芯RFID传感器包括谐振电路中的集成传感组件。传感器可用于测量物理参数，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血压、体温、葡萄糖水平、心率等。除此之外，无芯RFID传感器价格便宜，易于在纸张或塑料上打印。无芯RFID传感器系统的示意图如图3所示。传感器有助于将与标签环境有关的信息传递给阅读器。因此，可以对物体进行实时的跟踪和监视，并提高了信息质量。无芯RFID传感器包括谐振电路中的集成传感组件。传感器可用于测量物理参数，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血压、体温、葡萄糖水平、心率等。除此之外，无芯RFID传感器价格便宜，易于在纸张或塑料上打印。无芯RFID传感器系统的示意图如图3所示。

图3 无芯RFID传感器系统示意

当前的挑战和未来的方向

无芯RFID技术以其在各种应用中的潜力为新世界铺平了道路。未来，这些标签的市场预计将是最大的。在许多情况下，无芯RFID标签的功能要优于有芯标签。因其面临很多的挑战，无芯RFID并未进入商业市场。本节重点介绍无芯RFID的挑战及其未来的发展方向。

1.读取准确性

无芯RFID不需要视线读数。但是，如果标签保持与读取器天线正交，则无法准确读取标签ID。这个挑战可以通过方向独立的标签来克服。而且，反向散射信号总是受到背景噪声干扰的影响。可以在阅读器中实现窗口技术和自干扰消除技术，以增强接收信号，从而提高准确性。

2.标签价格

标签成本高的主要原因是基材材料、油墨和所使用的印刷技术。可以采用低成本的纸张、塑料或木材，而不是使用昂贵的基材材料。此外，喷墨印刷和凹版印刷等印刷技术进一步降低了成本。

3.标签多感知操作

有几个应用，它们当中的两个或多个参数需要被同时感知。多感知是有用的，尤其是在可穿戴的生物医学应用中，例如，温度、血压、PH等参数应一次监测出来，但这通常是一个很大的挑战。为了缓解这个问题，可以使用超材料。

4.标签打印

如今可用的制造工艺（例如光刻）仍增加了无芯RFID的总成本。此外，诸如化学蚀刻和干法蚀刻之类的蚀刻工艺也不精确，因为它会通过蚀刻出比所需数量更多的铜来影响标签的性能。因此，像喷墨打印这样的打印技术是克服这一挑战的最佳选择。

5.数据存储容量

无芯标签中没有芯片，因此其数据容量较小。尽管报告了具有高数据容量的无芯标签，但在不增加标签大小的情况下增加信息存储能力的挑战仍然存在。可以通过使用几种混合编码技术，或具有高Q因数的标签设计，或使用整个超宽带频带来缓解此问题。

6.防冲突

读取无芯标签的主要挑战之一是读取区域中存在更多数量的标签。当标签同时发送信号时，读取器很难将信号进行分离。为了防止此问题，已经提出了几种防碰撞算法，但当标签在相似的频率范围内工作时，问题仍然存在。

参考文献

[1] T. Athauda and N. Karmakar, “Chipped versus chipless RF identiﬁcation: a comprehensive review,” IEEE Microw. Mag., vol. 20, no. 9, pp. 47–57, Sep. 2019.

[2] V. Sharma and M. Hashmi, “Advances in the design techniques and applications of chipless RFIDs,” IEEE Access, vol. 9, pp. 79264–79277, 2021.

[3] S. K. Behera and N. C. Karmakar, “Wearable chipless radio-frequency identiﬁcation tags for biomedical applications: A review [antenna applications corner],” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 62, no. 3, pp. 94–104, Jun. 2020.

[4] S. Dey, J. K. Saha, and N. C. Karmakar, “Smart sensing: Chipless RFID solutions for the Internet of Everything,” IEEE Microw. Mag., vol. 16, no. 10, pp. 26–39, Nov. 2015.

[5] A. Ramos, Z. Ali, A. Vena, M. Garbati, and E. Perret, “Single-layer, ﬂexible, and depolarizing chipless RFID tags,” IEEE Access,vol.8, pp. 72929–72941, 2020.

[6] S. Preradovic and N. C. Karmakar, “Chipless RFID: Bar code of the future,” IEEE Microw. Mag., vol. 11, no. 7, pp. 87–97, Dec. 2010.

[7] N. C. Karmakar, Handbook of Smart Antennas for RFID Systems. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2010.

[8] N. Javed, A. Habib, Y. Amin, and H. Tenhunen, “Towards moisture sensing using dual-polarized printable chipless RFID Tag,” in Proc. Int. Conf. Front. Inf. Technol. (FIT), 2017, pp. 189–193.

[9] N. C. Karmaker, “Tag, you’re it radar cross section of chipless RFID tags,” IEEE Microw. Mag., vol. 17, no. 7, pp. 64–74, Jul. 2016.

[10] S. Deif and M. Daneshmand, “Multiresonant chipless RFID array system for coating defect detection and corrosion prediction,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 67, no. 10, pp. 8868–8877, Oct. 2020.

[11] M. Khaliel, A. El-Awamry, A. Fawky, and T. Kaiser, “Long reading range chipless RFID system based on reﬂectarray antennas,” in Proc. 11th Eur. Conf. Antennas Propag. (EUCAP), 2017, pp. 3384–3388.

[12] C. Herrojo, J. Mata-Contreras, A. Núñez, F. Paredes, E. Ramon, and F. Martín, “Near-ﬁeld chipless-RFID system with high data capacity for security and authentication applications,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 65, no. 12, pp. 5298–5308, Dec. 2017.

[13] S. K. Behera and N. C. Karmakar, “Chipless RFID printing technologies: A state of the art,” IEEE Microw. Mag., vol. 22, no. 6, pp. 64–81, Jun. 2021.

[14] M. N. Zaqumi, J. Yousaf, M. Zarouan, M. A. Hussaini, and H. Rmili, “Passive fractal chipless RFID tags based on cellular automata for security applications,” ACES J., vol. 36, no. 5, pp. 559–567, May 2021.

[15] M. Akbari, J. Virkki, M. W. A. Khan, L. Sydänheimo, and L. Ukkonen, “Towards eco-friendly and cost-effective passive RFID applications,” in Proc. 10th Eur. Conf. Antennas Propag. (EuCAP), 2016, pp. 1–4.

[16] S. A. Nauroze et al., “Additively manufactured RF components and modules: Toward empowering the birth of cost-efﬁcient dense and ubiquitous IoT implementations,” Proc. IEEE, vol. 105, no. 4, pp. 702–722, Apr. 2017.

[17] A. Attaran and R. Rashidzadeh, “Chipless radio frequency identiﬁcation tag for IoT applications,” IEEE Internet Things J., vol. 3, no. 6, pp. 1310–1318, Dec. 2016.

[18] L. Corchia et al., “Radio-frequency identiﬁcation based on textile, wearable, chipless tags for IoT applications,” in Proc. II Workshop Metrol. Ind. 4.0 IoT (MetroInd4.0 IoT), 2019, pp. 1–5.

[19] M. Borgese, F. A. Dicandia, F. Costa, S. Genovesi, and G. Manara, “An inkjet printed chipless RFID sensor for wireless humidity monitoring,” IEEE Sensors J., vol. 17, no. 15, pp. 4699–4707, Aug. 2017.

[20] A. Sharif, J. Ouyang, Y. Yan, A. Raza, M. A. Imran, and Q. H. Abbasi, “Low-cost ink-jet printed RFID tag antenna design for remote healthcare applications,” IEEE J. Electromagn., RF, Microw. Med. Biol.,vol.3, no. 4, pp. 261–268, Dec. 2019.

[21] S. R. Patre, “Passive chipless RFID sensors: Concept to applications—Areview,” IEEE J. Radio Freq. Identif., vol. 6, pp. 64–76, 2022.

[22] Z. Yang, K. Y. See, M. F. Karim, and A. Weerasinghe, “Chipless RFID-based sensing system for partial discharge detection and identiﬁcation,” IEEE Sensors J., vol. 21, no. 2, pp. 2277–2285, Jan. 2021.

[23] G. Monti, G. Porcino, and L. Tarricone, “Textile chipless tag for gesture recognition,” IEEE Sensors J., vol. 21, no. 16, pp. 18279–18286, Aug. 2021.

[24] T. A. Kaiser, “Dielectric resonator-based passive chipless tag with angle-of-arrival sensing,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 67, no. 5, pp. 2010–2017, May 2019.

[25] P. Fathi, N. C. Karmakar, M. Bhattacharya, and S. Bhattacharya, “Potential chipless RFID sensors for food packaging applications: Areview,” IEEE Sensors J., vol. 20, no. 17, pp. 9618–9636, Sep. 2020.

[26] R. Nair, E. Perret, and S. Tedjini, “Temporal multi-frequency encoding technique for chipless RFID applications,” in IEEE/MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 2012, pp. 1–3.

[27] V. Sharma, S. Malhotra, and M. Hashmi, “Slot resonator based novel orientation independent chipless RFID tag conﬁgurations,” IEEE Sensors J., vol. 19, no. 13, pp. 5153–5160, Jul. 2019.

[28] M. Forouzandeh and N. Karmakar, “Self-interference cancelation in frequency-domain chipless RFID readers,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 67, no. 5, pp. 1994–2009, May 2019.

[29] J. G. D. Hester and M. M. Tentzeris, “Inkjet-printed ﬂexible mm-Wave van-atta reﬂectarrays: A Solution for ultralong-range dense multitag and multisensing chipless RFID implementations for IoT smart skins,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 64, no. 12, pp. 4763–4773, Dec. 2016.

[30] F. Paredes, C. Herrojo, R. Escudé, E. Ramon, and F. Martín, “High data density near-ﬁeld chipless-RFID tags with synchronous reading,” IEEE J. Radio Freq. Identif., vol. 4, pp. 517–524, 2020.

中国保密协会

科学技术分会

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