UHF无源标签的设计与选择

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  8月15日,2013第六届国际物联网发展高峰论坛与“2013第五届中国(深圳)国际物联网博览会”同期举办。会上,美国意联科技全球副总裁谢建新作了“UHF无源标签的设计与选择”的主题报告。以下是文字实录:

  谢建新:谢谢大家,陈总把我们带到了十年后的愿景,我再把大家带到今天,就是我们面临的挑战。我们做物联网也好,一个最基本的工作,我觉得任何一个事情,如果基本工作没做好,将来你怎么去盖这楼,都没有办法盖好。

  今天我跟大家分享一下我们自己在全球,特别是在研发生产上的一些经验。目的就是希望能跟行业同仁,或者跟将来在行业内有需求的伙伴们,大家都能知道怎么把基础工作做得扎实,好让物联网也好,大数据也好,云平台的梦想都能一一的实现。

  今天,我演讲的题目就是《UHF无源标签的设计与选择》,大家看到这个副标题,“它是艺术与科学的完美结合”。

  Zander Livingston提出来RFID是一个非常快捷的技术,并且十分精准,毋庸置疑RFID会减少劳力。但是为产品找到适合的RFID标签往往十分费力,而费力通常意味着要付出昂贵的代价。我相信今天大家在行业里开始在做一个项目的时候,你自己已经可以感同身受,知道怎么样去选择一个适合的标签来满足你项目的需求,这确实你要花时间、花代价,这样的一个代价还无所谓。假如是因为你做出了一个错误的抉择,选择了一个错误的标签,那么产生的损失,这个代价就不是每个人乐意见到的。

  今天的问题,我相信大家在展会上都看到各式各样不同的标签,但是不是每个标签都是一样的呢?所以当你们在去询问时,一定要先了解不是每个标签都是一样的,这是一个非常重要的心里转变。

  在谈到无源超高频标签选择和设计的时候,RFID已经慢慢在取代条形码,因为条码是要一次只能进行一次的技术,条码是有距离限制的技术,所以这些限制也凸显了RFID在技术上的优越性,也就是因为这些技术的优越性让我们不断在往前迈进。那么我们应该怎么充分的、正确的使用这个技术,能让我们原来的客户也好,或者是我们自己的需求,可以用这个新的技术来解决问题。

  RFID特性和天线设计的充分原理,这一定是一个必要考虑的问题。因为你若是不去了解它的特性,你掌握不了特性的时候,你就没有办法知道你要去问什么问题。当你不能对天线设计充分理解的时候,你就绝对不知道原来这个标签有这样那样的限制;这个标签在使用的时候有这样的挑战;你不了解的时候你没有办法问出一个正确的问题,你就没有办法从你的供应商或者从你的伙伴得到一个好的建议。

  所以,现在我们在做选择和做设计的时候,必须要考虑它的质量稳定性和可靠性。你必须要考虑标签应用的对象和它周围环境;你必须考虑它的大小和性能,还有一个正向链路和反向散射是怎么实施的;另外,标签设计的供应商其实很重要。大家都说自己能够设计天线,但是相信在座的可能你们在接触跟他们探讨的时候也会慢慢意识到,就是一个好的伙伴他一定要对芯片和天线基本的知识要掌握;而且另外一个你必须要了解到标签芯片本身特殊的功能,你怎么把这些东西做好匹配,这些都是我们必须要去考虑的。我们为了减少实际操作过程中遇到不理想状况的发生,我们就要先为自己做好这个准备工作。

  我相信我今天在这里讲的,特别是在无源超高频的芯片,这样一个标签它的特色是非常简单的,它的价格比较低,它的距离虽然短,但是由于成本的关系,所以在量的使用上,可以被选为是适合的技术。

  我们今天稍微花点时间来看一下标签的解析,一个标签里有两个组成,一个是天线结构,另外一个就是中间非常小的芯片。芯片里必须要有一些数字逻辑、存储器、调制调解器、振荡器、逻辑电路和电源电路等等。这些可能不是我们平时关注的,我们关注的是什么?这个技术到底它的运作原理是什么,我们可以用很简单的方式看RFID系统的时候,它有几个必备的组成。第一、一个无源的RFID必须要有一个天线,要有一个芯片,要有一个反向散射的发射器。第二、还需要RFID的阅读器,可以使它可以提供标签一个电源;提出对标签询问的指令;还可以接受标签返回来的信息。第三,你根据这个顺序来看,读写器为标签提供电源,同时可以发出一些指令,然后标签验证读写器的认证,标签接着返回信息,阅读器显示标签的信息或状态,这是整个系统运作的过程。

  在这个运作过程中,我们要想到到底是什么事情让这些标签在不同层面存在着问题和挑战。第一个就是刚才讲到它必须接收能量;第二它必须要获得这些调制的指令,在接收能量去激活这个芯片的时候,你必须接到这个指令才知道接下来要做什么事情;第三个调制能量,当你具备了能量,你也知道我要做什么事情,你用什么方式把这些信号反射回去的时候,这就是另外一个传输上我们必须要考虑的。但是这样一个简单的标签只有两个天线,我想在座的你没有真正去理解的时候,你可能不了解,我这边很简单的说一下,这里面的结构中间的小环叫做内共振,LC线圈,外面的大是一个圆形,超高频又可以做短,又可以做远,从这样的角度,在技术上是设计过程,你自己可以去控制的,不像低频和高频它本身已经被限制住了,它只能在它现有的基础上做应用。

  在标签选择上我们会遇到不同的问题,比如地方的区域问题,我相信很多尤其是在做生产的时候,你在产品贴标的时候,你必须考虑你的这个货是供应到什么区域,你是供给美国的客户还是供给欧洲的客户,按照现在的标准,美国、欧洲、中国、日本都有自己不同的要求。

  我刚才前面讲不是每个标签是一样的,看起来很像,但是你仔细看它中间的线路,我说LC,上面的和下面的这个位置,这个位置明显它的距离和这个要更远一些,我们就是通过这样一些线路,让同样的标签适合不同的标准。我们从使用者来讲,我们必须要考虑你的标签要在哪里被应用。

  另外一个在基本应用的原理里,一个标签和读写器之间,它通过电磁波的交流和传输。假如中间有一个东西把这个信号挡住了怎么办?挡住了的话,这个载体本身自己的特性又是什么?第一,它是不是一个透波的材料,所谓透波就是信号永远能够穿透它,不会造成明显的差异,但是可能它的信号会有衰竭。或者它本身是一个不透波,比如金属,你的信号打出去反射回来,这就是很多时候在现场应用遇到的问题,回到一个很基本的层面,就是由于在标签跟读写器之间中间产生了一些环境的变化,这个环境变化可能由于中间一些物体造成的。

  另外一个在应用上我们可以看到,标签贴在什么介质上,假如今天一个标签是贴在一个导电的介质上,就好象你用一个回形针对一个电池做一个断路,这个电池就没有办法去工作了。在导电介质的表面,比如金属管它的电压基本上是零,这也是告诉我们,为什么它没有办法把一个RFID超高频的标签贴在一个金属板上面,它是读不到的,除非你知道了这样的挑战,你针对这个标签做一个特殊的处理,就是今天的抗金属标签,在这样的情况下,这个标签是可以工作的。

  接下来我要给大家稍微看的就是我们自己在做天线设计的时候,我们做一些图形的的分析,大家都买股票,都看过股市波动的图,其实你不需要懂得每个图代表的意义,但是你一定要懂得几个重点,就是说这个趋势,你要抓住几个重点。我们来看这个图也用这种方式来理解就可以了,你不需要知道这个代表什么意思,那个代表什么意思,但是将来你对你的供应商,他要是能提供这样一个图给你看的时候,你要抓住几个重点。

  这是一个测试标签,性能在空气中波动的一个简单的图形,这里面有三条不同颜色的线,第一个就是TOT,就是你需要多少能量把这个标签启动,这是一个波形。你可以看到你的标签整个的波动图,我们这里看到的大概在900-950兆的分布,中心频点明显是在950兆。因为它是一个反射的信号,所以它需要的能量是怎么样的?就是你的能量传出去,传得越远越好,理论上是这样讲。但是在接收的时候,你要能越灵敏越来好,因为一个电磁波它先要把芯片激活,如果你的灵敏度很高的话,即使这个信号非常微弱,你也能把这个芯片激活起来。

  大家可以看到这个图,等于是两个峰值应该是越低越好,就表示它的灵感度非常好。左边的这个峰是由内线圈决定的,就是刚刚第一个图看的那个小的线圈,右边这个峰值是由原产天线决定的。再往下看,当你把这个标签放在某一个物体上的,大家可以看到它的峰值改变了,它做了一个偏移,我们刚才中心频点,现在很明显,原来中心频点在950M,现在中心频点换了,什么意思?当你去设计一个标签的时候,你必须要了解它的应用场景,当你把这个标签贴上去的时候,它往左漂了,就表示它从原来中心的频点950M,现在到了920M。当你把这个标签贴在这个物体上的时候,这个标签是非常优化的标签,当它在空气的时候,刚才讲了它的中心频点在950M,并不是中国物委会定出来的标准,它不符合这个标准,但是当你把这个东西贴上去的时候,它完全就回到我们期望的情况。这也是在设计的时候,我们必须考虑之前和之后的差异来作为你设计的指引,也可以看到它是一个向理想的频率移动,等于它向左边移动,在这里面考虑到它扩增或者压缩,最关键的我希望大家可以看到这个。

  刚才我们是把在空气中的图和我们贴在物体上的图做了一个比较,你可以看到在你自己设计,或者你在选择采购这样一个标签的时候,到底它物理特性和它在应用中特性的差异。所以,我们必须有几个基本的步骤,第一个就是我们一定要做仿真的设计,懂行的人对这些是非常熟悉的,另外一点非常关键的就是阻抗的匹配,我从Alien来讲,大家在行业里对Alien的认知,我们提供芯片、也提供读写器,在整个产业链上,我们是完全覆盖的。

  在这方面我们对天线和芯片的匹配,我们自己掌握是非常到位的,并不是说你不生产芯片你就做不到,而是说可能你需要花更多时间对芯片的特性进行掌握。当阻抗的匹配你自己控制得好的时候,你来看整个天线的仿真图,你再来看电流的分配,因为你要看电流本身是不是很稳定的,所以你就可以知道这个标签在使用的时候会不会不稳定。

  第五个就是刚才我们讲到的在验证过程,会有很多科学的图纸来帮助我们,对我们的设计进行修正。然后掌握住设计的思路和方向的时候,我们就可以创建圆形图纸,自己制作手工样品,然后把这个手工样品进行扫描交验,这是一个比较完整的程序。所以,一个简单的天线设计绝对不是说拿一个图抄一下,就可以做成一模一样的东西,这里面有很多的学问。

  我们这次的展位也特别把仿真的条件、环境带过来了,假如各位你们对你们自己现在应用的标签,或者你们自己在设计标签方面有兴趣,也欢迎你们到我们的展台,我们跟你们一起里探讨,看看你们的标签是不是存在设计的挑战,或者它本身的性能是否已经能满足你们的需求。

  在标签设计的时候也要考虑它的一些需求,这边我们列出来的是最佳标签设计必须要考虑的科学的方法,然后在这个基础上你要用艺术的方式来对你的设计进行描述。我再说一下它的要求,天然RF的要求、什么频段、反向射频程度、写入灵感度、读取的灵敏度、标签的环境、它的材质介电常数,它到底是靠近金属还是靠近水,是不有有干扰的环境,在电线外形的需求长度、宽度,IC放在什么位置,这都是很基本的需求,IC的参数、读取的阻抗、反向的阻抗、写数据的阻抗、天线的参数等等。

  你看到左边这个图,当我们在做一个天线设计的时候,等于你把一个气球,你这边压的时候,你发现你这边压得多了,那边可能就凸出来的多,你这边压得少的时候,那边可能就没凸那么多。这永远是一个互动的关系,为什么讲它是一门运用科学的艺术?就是你怎么在这中间达到平衡,这需要经验,绝对不是今天我设计,我拿一个图纸一抄,我改了就可以的,这里面有很多讲究,希望大家要好好的去思考。

  标签设计确实是一门运用科学的艺术,你必须要寻找具有专业经验和实践知识的伙伴,这是一个非常具有挑战的产业链,我们每个人一定要在自己的岗位上各尽其职。意联具备了超过15年的芯片的经验,我们很乐意跟行业伙伴分享。另外一个就是我讲到的,在技术的共生关系上,从芯片、天线、生产到最后品质的检验要求,这都是我们要考虑的,我们非常专注于开放行业标准的解决方案,唯有这样在每个项目上不会受到技术特有规格的捆绑,因为对终端客户而言这是他们非常需要的,所以我们今天支持6C的标准,唯有这样才能促进行业接受RFID技术。客户才能很好的利用RFID技术,而不会受限于封建型的专有技术和产品,这是我们自己的承诺,也是我们接下来跟大家一起分享的一个心态。

  我们有很多新的标签,也欢迎大家到我们的展台上去体验一下,我们今年9月19日在美国拉斯维加斯有一个用户大会,也希望大家考虑跟我们一起有更多深层的分享。

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