RFID技術(shù)是自動識別技術(shù)之一，是一種廣泛使用的無線技術(shù)，它采用低功率無線電波來自動識別標(biāo)記對象，并從中獲取數(shù)據(jù)。盡管多年來光學(xué)條形碼因其成本低一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們的讀取距離受限，信息存儲容量低，以及需要大量人工干預(yù)操作。傳統(tǒng)RFID克服了上述光學(xué)條形碼的缺點(diǎn)，但RFID的成本卻變成了一個非常重要的問題。本文回顧了無芯RFID，它比現(xiàn)有的自動識別技術(shù)受益良多，概述了傳統(tǒng)RFID和無芯RFID標(biāo)簽的比較、無芯標(biāo)簽的分類以及其設(shè)備設(shè)計(jì)方面的問題和應(yīng)用等，最后討論了無芯RFID面臨的挑戰(zhàn)及未來的研究方向。

RFID簡介

RFID系統(tǒng)主要由兩個部分組成：讀寫器和標(biāo)簽。讀寫器又包括中間件和相關(guān)硬件。中間件充當(dāng)讀寫器的控制部件。硬件包括詢問器電路和天線。RFID詢問器的控制單元包括處理器、存儲單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)的靈魂，包含識別碼。標(biāo)簽主要包含：用于執(zhí)行調(diào)制、解調(diào)、編碼、解碼以及數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路，多諧振器（無芯標(biāo)簽中），以及天線。只有在RFID讀寫器工作范圍內(nèi)才可以識別標(biāo)簽，而且讀寫器和標(biāo)簽之間的通信也容易受到環(huán)境的干擾。圖1描繪了基本RFID系統(tǒng)的示意圖。讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送電磁（EM）波。標(biāo)簽將能量/信號反向散射或重新傳輸給讀寫器，其中包含必要的信息。中間件解讀讀寫器捕獲的數(shù)據(jù)，并以要求的格式提供給用戶。用戶可以是進(jìn)行進(jìn)一步信號處理的主機(jī)，它可以連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以便從全球任何地方訪問數(shù)據(jù)。

圖1 基本RFID系統(tǒng)示意圖

有芯RFID標(biāo)簽和無芯RFID標(biāo)簽

RFID系統(tǒng)由于成本較高因而無法替代條形碼技術(shù)。RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌有IC芯片組，使其成本大約為條形碼的10倍，因此其開發(fā)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。有芯RFID與無芯RFID相比發(fā)射天線的功率更高，覆蓋的讀取距離更大。因此，無芯RFID適用于近場應(yīng)用。無芯RFID使用反向散射原理使其無法具有較高的信息存儲能力。無芯RFID標(biāo)簽是無源的，其設(shè)計(jì)復(fù)雜，而有芯RFID標(biāo)簽也是無源的，與無芯標(biāo)簽相比，其設(shè)計(jì)相對容易。有芯RFID標(biāo)簽由于芯片的存在使其略顯呆板，無芯RFID標(biāo)簽卻相對靈活，但缺乏數(shù)據(jù)處理能力。有芯RFID標(biāo)簽和無芯RFID標(biāo)簽的讀取能力也有所不同。根據(jù)前人的研究，一次可以讀取1000個有芯RFID標(biāo)簽，但實(shí)際上只能讀取一個無芯RFID標(biāo)簽，盡管現(xiàn)有的理論說明可以同時記錄3個無芯標(biāo)簽。在表1中比較了有芯RFID標(biāo)簽和無芯RFID標(biāo)簽。

表1 有芯RFID標(biāo)簽和無芯RFID標(biāo)簽的比較

無芯標(biāo)簽的分類

1.第一類標(biāo)簽第一類標(biāo)簽中含有額外的組件用于數(shù)據(jù)加密。在此類標(biāo)簽中，標(biāo)簽天線僅充當(dāng)輻射器，而其他組件充當(dāng)用于加密數(shù)據(jù)的反射器。標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)使其在超寬帶頻率下工作，并提供一個全方位的模式。滿足這兩種要求的天線是圓盤加載單極子天線。標(biāo)簽功能受標(biāo)簽天線增益和帶寬影響。時域反射 (TDR) 標(biāo)簽和重傳標(biāo)簽屬于第一類標(biāo)簽。2.第二類標(biāo)簽在第2類中，標(biāo)簽天線同時執(zhí)行加密和反射從應(yīng)答器到詢問器的響應(yīng)的任務(wù)。這就意味著天線的功能就像一個反射器。此標(biāo)簽天線要求產(chǎn)生高質(zhì)量因數(shù)（Q因數(shù)），因此可以在窄帶寬下工作。微帶貼片天線可用于此類。第二類標(biāo)簽包括反向散射標(biāo)簽和EM圖像標(biāo)簽。3.第三類標(biāo)簽在第三類標(biāo)簽中，不需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)編碼元素。近場印刷線圈標(biāo)簽天線屬于此類。這里的標(biāo)簽天線的特性與第二類相似。無芯RFID技術(shù)可以被分為兩類。第一代（1G）和第二代（2G）取決于內(nèi)存處理能力和服務(wù)提供商的類型。在1G中，使用沒有標(biāo)準(zhǔn)的單一服務(wù)提供商。它們的內(nèi)存處理能力非常有限。這一代無芯RFID標(biāo)簽中使用的技術(shù)包括聲學(xué)、電磁和LC陣列。第二代無芯RFID使用具有全球標(biāo)準(zhǔn)的多個服務(wù)提供商。它們具有更高的內(nèi)存處理能力，并且有可能取代條形碼。表面聲波（SAW），薄膜晶體管電路都用于這種類型的標(biāo)簽。綜上所述，第一類和第二類無芯RFID標(biāo)簽主要應(yīng)用于各種應(yīng)用，例如溫度感知、壓力感知、PH感知、濕度感知等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用感知。無芯RFID標(biāo)簽天線的特性如圖2所示。

圖2 標(biāo)簽天線的關(guān)鍵特性

無芯RFID設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

閱讀器的天線設(shè)計(jì)是無芯RFID系統(tǒng)面臨的第一個挑戰(zhàn)。無芯RFID工作在超寬帶（UWB）頻段，與有芯RFID相比，在該頻段中輻射的最大功率非常低。這種降低的傳輸功率導(dǎo)致更短的讀取范圍和更低的數(shù)據(jù)處理能力。由于發(fā)射功率很低，反向散射信號也很低，并且會受到環(huán)境噪聲的影響。標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)是開發(fā)無芯RFID系統(tǒng)所面臨的第二個挑戰(zhàn)。因?yàn)椴僮鞯念l帶較大，所以標(biāo)簽尺寸較小。這限制了對詢問器的反向散射功率。可以通過使用天線陣列使得反向散射功率變得更高，但這也將會增加標(biāo)簽的大小和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。因此，設(shè)計(jì)高效的標(biāo)簽變得十分困難。由于標(biāo)簽缺乏對數(shù)據(jù)的處理能力，此時出現(xiàn)了另一個挑戰(zhàn)——提取信息。相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中也提出過同時檢測多個標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。為標(biāo)簽選擇合適的材料也是一個很大的挑戰(zhàn)。

無芯射頻識別的應(yīng)用

如今，RFID技術(shù)在醫(yī)療保健、生物醫(yī)學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等領(lǐng)域的應(yīng)用正在迅速發(fā)展。無芯RFID正在進(jìn)入市場，傳統(tǒng)RFID由于IC芯片的存在而具有局限性，并且無芯RFID在物聯(lián)網(wǎng)、智能皮膚（SS）、5G等領(lǐng)域更具優(yōu)勢。隨著近年來增材制造技術(shù)(AMT)效率的提高，無芯RFID被用于物聯(lián)網(wǎng)和毫米波5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、能量收集和存儲、反向散射通信前端、無源射頻組件、互連、封裝、和傳感器等。1.溫濕度監(jiān)控濕度是用于食品儲存監(jiān)測、封閉房間中的空氣質(zhì)量測試或建筑物中的水害檢測的重要物理參數(shù)之一。無芯RFID傳感器可以滿足對低成本、靈活、無源的濕度傳感器的不斷增長的需求。無芯RFID溫度傳感器用于供應(yīng)鏈管理中，不需要實(shí)時監(jiān)控，而且可以在特定的時刻進(jìn)行檢測。例如，在產(chǎn)品、化學(xué)品、藥品或爆炸性材料的運(yùn)輸和存儲過程中，具體溫度值的變化非常重要。2.醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用無芯RFID為醫(yī)療保健和可穿戴生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了嶄新的外觀。有芯RFID標(biāo)簽不適合可穿戴應(yīng)用，因?yàn)樾酒苋菀讚p壞并導(dǎo)致連接方面的問題。無芯RFID標(biāo)簽的使用壽命更長，可以輕松縫制在衣服上。無芯RFID傳感器在生理參數(shù)檢測方面扮演著非常重要的角色，如葡萄糖水平、血壓、體溫、酸堿度和心跳監(jiān)測。3.電氣設(shè)備局部放電檢測在各種類型的電子傳感器中，射頻傳感器以其非侵入性和易于安裝而聞名。由于介質(zhì)絕緣失效，在電氣設(shè)備中會發(fā)生局部放電（PD），如果未檢測到，則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)嚴(yán)重故障。目前，已存在用于檢測電氣設(shè)備中局部放電的傳感系統(tǒng)。無芯RFID還有幾種其他方面的應(yīng)用，例如手勢識別、安全和認(rèn)證、對管道進(jìn)行涂層缺陷檢測和腐蝕預(yù)測、室內(nèi)自定位、食品包裝等。無芯RFID的未來應(yīng)用是無窮無盡的。

無芯射頻識別傳感器

傳感器有助于將與標(biāo)簽環(huán)境有關(guān)的信息傳遞給閱讀器。因此，可以對物體進(jìn)行實(shí)時的跟蹤和監(jiān)視，并提高了信息質(zhì)量。無芯RFID傳感器包括諧振電路中的集成傳感組件。傳感器可用于測量物理參數(shù)，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血壓、體溫、葡萄糖水平、心率等。除此之外，無芯RFID傳感器價(jià)格便宜，易于在紙張或塑料上打印。無芯RFID傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。傳感器有助于將與標(biāo)簽環(huán)境有關(guān)的信息傳遞給閱讀器。因此，可以對物體進(jìn)行實(shí)時的跟蹤和監(jiān)視，并提高了信息質(zhì)量。無芯RFID傳感器包括諧振電路中的集成傳感組件。傳感器可用于測量物理參數(shù)，例如土壤中的水分含量，或者是生理信息，包括患者的血壓、體溫、葡萄糖水平、心率等。除此之外，無芯RFID傳感器價(jià)格便宜，易于在紙張或塑料上打印。無芯RFID傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。

圖3 無芯RFID傳感器系統(tǒng)示意

當(dāng)前的挑戰(zhàn)和未來的方向

無芯RFID技術(shù)以其在各種應(yīng)用中的潛力為新世界鋪平了道路。未來，這些標(biāo)簽的市場預(yù)計(jì)將是最大的。在許多情況下，無芯RFID標(biāo)簽的功能要優(yōu)于有芯標(biāo)簽。因其面臨很多的挑戰(zhàn)，無芯RFID并未進(jìn)入商業(yè)市場。本節(jié)重點(diǎn)介紹無芯RFID的挑戰(zhàn)及其未來的發(fā)展方向。1.讀取準(zhǔn)確性無芯RFID不需要視線讀數(shù)。但是，如果標(biāo)簽保持與讀取器天線正交，則無法準(zhǔn)確讀取標(biāo)簽ID。這個挑戰(zhàn)可以通過方向獨(dú)立的標(biāo)簽來克服。而且，反向散射信號總是受到背景噪聲干擾的影響。可以在閱讀器中實(shí)現(xiàn)窗口技術(shù)和自干擾消除技術(shù)，以增強(qiáng)接收信號，從而提高準(zhǔn)確性。2.標(biāo)簽價(jià)格標(biāo)簽成本高的主要原因是基材材料、油墨和所使用的印刷技術(shù)。可以采用低成本的紙張、塑料或木材，而不是使用昂貴的基材材料。此外，噴墨印刷和凹版印刷等印刷技術(shù)進(jìn)一步降低了成本。3.標(biāo)簽多感知操作有幾個應(yīng)用，它們當(dāng)中的兩個或多個參數(shù)需要被同時感知。多感知是有用的，尤其是在可穿戴的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，例如，溫度、血壓、PH等參數(shù)應(yīng)一次監(jiān)測出來，但這通常是一個很大的挑戰(zhàn)。為了緩解這個問題，可以使用超材料。4.標(biāo)簽打印如今可用的制造工藝（例如光刻）仍增加了無芯RFID的總成本。此外，諸如化學(xué)蝕刻和干法蝕刻之類的蝕刻工藝也不精確，因?yàn)樗鼤ㄟ^蝕刻出比所需數(shù)量更多的銅來影響標(biāo)簽的性能。因此，像噴墨打印這樣的打印技術(shù)是克服這一挑戰(zhàn)的最佳選擇。5.數(shù)據(jù)存儲容量無芯標(biāo)簽中沒有芯片，因此其數(shù)據(jù)容量較小。盡管報(bào)告了具有高數(shù)據(jù)容量的無芯標(biāo)簽，但在不增加標(biāo)簽大小的情況下增加信息存儲能力的挑戰(zhàn)仍然存在。可以通過使用幾種混合編碼技術(shù)，或具有高Q因數(shù)的標(biāo)簽設(shè)計(jì)，或使用整個超寬帶頻帶來緩解此問題。6.防沖突讀取無芯標(biāo)簽的主要挑戰(zhàn)之一是讀取區(qū)域中存在更多數(shù)量的標(biāo)簽。當(dāng)標(biāo)簽同時發(fā)送信號時，讀取器很難將信號進(jìn)行分離。為了防止此問題，已經(jīng)提出了幾種防碰撞算法，但當(dāng)標(biāo)簽在相似的頻率范圍內(nèi)工作時，問題仍然存在。