1、RFID标签介绍

\qquad 本文介绍传统RFID标签技术，回答：什么是RFID？RFID标签用于什么？RFID标签如何工作？等问题。本文还简介了这项技术的发展过程和实现低成本的困难，为今后的无芯片RFID标签技术介绍做好铺垫。

射频识别

\qquad 射频识别 (Radio frequency identification, RFID)是一种利用射频(radio frequency, RF)波对物体进行自动识别的无线数据采集技术。RFID依靠RF波在称为RFID标签(RFID tag)的数据传输设备和询问器之间进行数据传输。

\qquad 如图1所示，一个典型的RFID系统由三个主要部件组成：

• 一台阅读器(reader)或询问器(interrogator)，它将询问信号发送到一个待识别的RFID标签；
• 一个RFID标签(tag)或应答器(transponder)，它包含ID码；
• 以及中间件软件(middleware software)，它维护接口和软件协议，将来自阅读器的ID数据编码和解码到大型机或个人计算机上。

RFID阅读器只能读取处于它询问区之内的标签。阅读器通常连接到一台主机，主机执行额外的信号处理，以及显示标签的特征。主机也可以通过互联网连接，以实现全球连接/联网。

图1. 一个典型的RFID系统 ⁽³⁾

• 我的存档免费软件
• 我的存档学习资料

RFID标签的发展

\qquad RFID于1948年由Stockman首次在其具有里程碑意义的论文“Communication by Means of Reflected Power”中提出。Stockman提出，通过使标签天线的负载交替地变化，有可能让反射功率的大小发生改变，从而实现调制（也称为“天线负载调制”）。这种新型无线技术现在被称为RFID。从那时起，研究人员和工程师一直致力于开发低成本的RFID系统。

\qquad RFID技术自1970年代开始得以应用。最初，RFID标签被用于跟踪长途运输的大型物品，如奶牛、火车车厢、航空行李。这些最初的标签称为感应耦合RFID标签(inductively coupled RFID tags)，是由金属线圈、天线、玻璃制品组成的复杂系统。这种RFID标签由一台RFID阅读器产生的点磁场供电。

图2. 这样的RFID标签过去只用于跟踪行李和大包裹 （图片来自：electronics.howstuffworks.com）

\qquad
\qquad 接着，为了降低标签成本，人们创造了电容耦合标签(capacitively coupled tags)。这是一种一次性标签，可以应用于较便宜的商品，并像条形码一样通用。电容耦合标签使用导电碳墨水代替金属线圈来传输数据。墨水印在纸质标签上，并用阅读器扫描。摩托罗拉的BiStatix RFID标签是这项技术的领先者。它们使用的硅芯片只有3毫米宽，能够存储96-位信息。这项技术没有受到零售商欢迎，BiStatix于2001年关闭。

\qquad RFID行业较新的创新包括有源、半无源、以及无源RFID标签(active, semi-active and passive RFID tags)。这些标签可以存储多达2千字节的数据，由微芯片、天线、以及电池（对于有源和半无源标签而言）组成。标签的组件封装在塑料、硅、或有时在玻璃内。

\qquad 这些标签的基本工作方式相同：

• 储存在一个RFID标签芯片中的数据等待读取。
• 标签的天线接收来自一台RFID阅读器的天线的电磁能量。
• 标签使用其内部电源或从这台阅读器电磁场获取的电源，将射频波发送回这台阅读器。
• 这台阅读器接收这个标签的射频波，进而将频率解释为有意义的数据。

实现低成本的困难

\qquad 感应耦合和电容耦合RFID标签现在已不常用，因为它们既昂贵又笨重。有源、半无源、以及无源RFID标签正在使RFID技术变得更加容易使用。这些标签的生产成本较低，可以制作得足够小，还适用于几乎任何产品。

\qquad 然而，用RFID取代光学条形码尚未实现，原因是RFID标签的价格（10美分）高于光学条形码的价格（低于0.1美分）。至于为什么没有廉价的RFID标签，基本的论点是，专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)设计和测试以及标签天线和ASIC组装会导致昂贵的制造过程，从而无法进一步降低芯片RFID标签的价格。图3显示了制造芯片RFID标签的基本步骤。

图3. RFID标签制造工艺 ⁽³⁾

\qquad 硅芯片的设计已经标准化了30多年，建造一家硅制造厂的成本高达数十亿美元。硅芯片是在一片一片晶圆基础上制造的，而每片晶圆的成本是固定的（大约1000美元）。由于晶圆成本与IC设计无关，因此可以根据RFID芯片所需的硅面积估算RFID芯片的成本。在缩小晶体管尺寸方面取得了重大成就，使每个晶圆面积有更多的晶体管。减少所需晶体管的数量会导致更小的硅面积，从而降低RFID芯片的成本。为此，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)做出了巨大努力，设计了一个少于8000个晶体管的RFID ASIC。虽然这将降低硅芯片成本，但其微型尺寸带来了限制和进一步的处理成本。

\qquad 尽管RFID芯片的成本几乎为零，但分割晶圆、处理芯片、以及将其放置在标签上的成本仍然很高。使用比标准芯片小的芯片会增加处理芯片的成本，原因仅仅是电子行业还没有标准化芯片。因此，通过高度优化的低晶体管数ASICs、贯彻组装工艺、以及极大提高RFID芯片的年销售量（超过10亿），芯片RFID标签的5美分最低成本是现实的。

\qquad 最后说明一点，本小节对低成本RFID标签实现困难的讨论并不全面，其中的分析和数据也不是最新的，它们大体上反映 了2010年左右的情况。

• 我的新浪博客账号
• 我的存档免费软件
• 我的存档学习资料

参考文献

(1) H. Stockman (2009), “Communication by Means of Reflected Power”, Proceedings of the IRE, pp: 1196-1204, October 1948.

(2) Kevin Bonsor and Wesley Fenlon (2021). How RFID Works. Available from the web page.

(3) Stevan Preradovic and Nemai Karmakar (2011). Fully Printable Chipless RFID Tag, Advanced Radio Frequency Identification Design and Applications, Dr Stevan Preradovic (Ed.), ISBN: 978-953-307-168-8, InTech, Available from the link.