UHF頻段的反向散射RFID系統(tǒng)是根據(jù)電磁波的反向散射原理工作的，無(wú)論是無(wú)源標(biāo)簽還是有源標(biāo)簽，標(biāo)簽中存貯數(shù)據(jù)的讀取過(guò)程都是依靠標(biāo)簽天線將接收到的電磁波進(jìn)行反向散射調(diào)制來(lái)完成。
因此，探討反向散射燈ID的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)是對(duì)研究閱讀器和標(biāo)簽之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸非常必要的，下面從標(biāo)簽天線的輻射、接收和散射等三方面來(lái)探討反向散射RFID技術(shù)的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)，并建模仿真兩種實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證標(biāo)簽的性能主要決定因素。
標(biāo)簽天線的輻射與接收
UHF頻段的反向散射即ID系統(tǒng)是一個(gè)典型的無(wú)線通信系統(tǒng)。對(duì)于標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，它既要有效地接收閱讀器發(fā)射來(lái)電磁波，又要有效地向閱讀器反射回電磁波。而電磁波的發(fā)射和接收需要通過(guò)標(biāo)簽的天線來(lái)完成。標(biāo)簽天線主要有偶極子天線、折疊偶極子天線、變形折合天線等。所以我們有必要首先以電流元的輻射發(fā)射特性來(lái)深入研究天線的發(fā)射和接收，然后分析天線的各項(xiàng)電參數(shù)，這些是進(jìn)一步研究UHF頻段標(biāo)簽天線原理的必要基礎(chǔ)。
圖1：標(biāo)簽的構(gòu)成，chip(芯片），strap(連接帶），antenna(天線），laminate(基片）
根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)形式，一般將其分為兩大類。一類是由導(dǎo)線或金屬棒構(gòu)成的天線，稱為線狀天線或線天線;另一類則是類似聲學(xué)或光學(xué)設(shè)備;由金屬圓面或介質(zhì)圓面構(gòu)成的天線，稱為面狀天線或面天線。在RFD標(biāo)簽天線中主要采用線天線。
然而無(wú)論是線天線或面天線，都可以分割為無(wú)限多個(gè)基本元，在這些基本元上載有交變高頻電流或磁流。在每一個(gè)基本元上的電磁流的振幅、相位和方向均假設(shè)是相同的。這樣一具體天線則由這些基本元按一定的結(jié)構(gòu)形式拼接而成。當(dāng)然，各個(gè)元上的電磁流的振幅、尺寸以及方向可能是不相同的具體的分布形式由天線的幾何形狀尺寸以及激勵(lì)條件所決定。根據(jù)基本元的輻射特性，可按電磁場(chǎng)的疊加原理得出各類天線的輻射特性。
基本元的類型可以分為三類。一類是電流元，元上載有交變電流，又稱之為電基本振子;第二類為磁流元，又稱為磁基本振子，元上載有交變磁流;根據(jù)電磁場(chǎng)對(duì)偶性原理，磁基本振子的輻射場(chǎng)可從電基本振子的輻射場(chǎng)對(duì)應(yīng)得出;第三類為面基本元，依據(jù)等效原理可將面元上的磁場(chǎng)與電場(chǎng)分別用等效電流元和等效磁流元來(lái)代替，這樣可以用電基本振子和磁基本振子的結(jié)果而得出面元的輻射特性。
圖2：標(biāo)簽與閱讀器的電磁耦合
天線的散射過(guò)程可用發(fā)射天線T、散射天線S和接收天線R構(gòu)成的線性三端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)描述(如圖3)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析方法求出接收天線R處散射場(chǎng)ES的表達(dá)式。天線的散射通常包括兩個(gè)部分:一部分是與散射天線負(fù)載情況無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射場(chǎng)，它是由于入射平面波在天線結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電流或位移電流所產(chǎn)生的散射場(chǎng)，其散射機(jī)理與普通散射場(chǎng)機(jī)理相同，另一部分則是隨天線負(fù)載情況而變化的天線的模式項(xiàng)散射場(chǎng)，其是由于負(fù)載與天線不匹配而反射的功率經(jīng)天線再輻射而產(chǎn)生的散射場(chǎng)，這是天線作為一個(gè)加載散射體而特有的散射。
圖3：由發(fā)射、散射和接收天線構(gòu)成的三端口網(wǎng)絡(luò)
標(biāo)簽的芯片一般可以實(shí)現(xiàn)三種阻抗變化:一種是開(kāi)路，一種是短路，另一種是匹配負(fù)載。在大部分情形下，標(biāo)簽采用短路和匹配負(fù)載兩種狀態(tài)來(lái)分別代表0和1兩種信息位。在這兩種狀態(tài)下，標(biāo)簽天線的反射系數(shù)F會(huì)相應(yīng)的做出改變。從而對(duì)標(biāo)簽RCS值產(chǎn)生顯著影響。這樣如果標(biāo)簽的RCS很大，而且在短路和匹配負(fù)載兩種狀態(tài)下的RCS變化值很大，很顯著的結(jié)果就是增加標(biāo)簽的可讀性。這也是從根本上提高標(biāo)簽性能的方法之一。
圖4：調(diào)制的雷達(dá)散射截面的變化說(shuō)明
當(dāng)標(biāo)簽天線負(fù)載阻抗Z:與天線的輸入阻抗完全匹配時(shí)，天線接收到的能量被完全吸收，并且r=O，所以此時(shí)標(biāo)簽天線的散射截面只由天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射截面∂S構(gòu)成。當(dāng)天線短路時(shí)，即ZL=O時(shí)，則天線接收到的功率全部被天線反射出去，也就是r=一1，此時(shí)標(biāo)簽天線的散射截面由天線結(jié)構(gòu)項(xiàng)散射截面∂S和天線模式項(xiàng)散射截面∂e構(gòu)成。當(dāng)天線開(kāi)路時(shí)ZL=∞，r=1，此時(shí)，天線模式項(xiàng)散射截面∂e為負(fù)，所以天線的總散射截面為最小值，不利于識(shí)別，因此大多數(shù)情況采用匹配負(fù)載和短路兩種情形。
因此散射截面的變化與負(fù)載電阻及有關(guān)。RFID系統(tǒng)正是利用這一特性，通過(guò)芯片內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息來(lái)控制天線負(fù)載的變化也就是RCS的變化，從而將電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息調(diào)制到反射的電磁波中并發(fā)送到閱讀器中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀取過(guò)程。電子標(biāo)簽中的可變負(fù)載要隨著傳輸數(shù)據(jù)流的節(jié)拍變化，這樣，散射截面面積實(shí)際上被芯片存貯的數(shù)據(jù)流調(diào)制。因?yàn)橛呻娮訕?biāo)簽反射的信號(hào)功率是由數(shù)據(jù)調(diào)制決定的，所以這種調(diào)制相當(dāng)于通信原理中的幅移鍵控(ASK)。
圖5：Tag Angular Sensitivity