超高频RFID读写器和电子标签的现状及发展趋势研究

对工业RFID读写器在国际和国内的发展现状进行了介绍，通过对目前市场以及论文中最新的动态进行研究总结，对工业RFID读写器的发展趋势进行了展望。 

　　射频识别（Radio Frequency Identifi-cation，RFID）是一种自动识别技术，近年来发展迅速，已广泛用于很多领域。RFID电子标签支持快速读写，多目标识别，非视距识别，移动定位及长期跟踪管理。工业RFID读写器通常在 860MHz ～ 960MHz频率下工作，具有作用距离远（通常是3m～ 10m），通信速度快，成本低的优点，是目前RFID产业发展的热点，并有望在未来成为主流技术。 

　　1 UHF RFID现状 

　　1.1 国际现状 

　　工业RFID读写器在发达国家起步比较早，发展水平也比较高，无论是技术、标准、产业链，还是应用方面都已发展得相对完备，在发达国家，RFID 技术已经发展成为 IC、IT产业炙手可热的焦点和热点技术。首先在芯片技术方面，发达国家已经具备了相对完整的产品线，并且在技术和市场不断的发展和完善等力量的推动下，电子标签工艺的提升，技术的进步，使其成本不断降低，应用发展进入了蓬勃发展的阶段。Alien公司的0类设计和Matrics公司的1 类设计奠定了第一代RFID标准的实现技术，相对于第一代标准来讲，EPC 第二代标签芯片具有很多优势，它的中心频率为900MHz 频段，大大提高了识别速率，可以达到500到1500标签/秒；反向散射数据速率可以从每秒数十bit提高到650kbps；扫描范围提高到30英尺。如今已经在市场和实验室出现了更多优异性能的UHF 第二代RFID电子标签芯片，如Impinj公司的 Monza 4 RFID电子标签芯片的系列产品已达到了更先进的水平，其优异的性能主要表现在可以扩展的内存选项、创新的保密功能、良好的抗干扰能力、业界领先的灵敏度指标。 

　　在学术方面，近年来顶尖的国际集成电路会议和集成电路期刊发表了越来越多关于工业RFID读写器技术的论文，国际物联网会议和国际RFID会议也变得异常令人瞩目，成为全球致力于RFID技术领域的研究机构和从业人员交流最新成果与进展的良好平台。 

　　在工业方面，Impinj公司等 RFID 公司不断取得技术进步，材料和工艺创新，使得芯片的技术性能大幅提高的同时，其成本不断降低，使市场不断地成熟，促进产业不断进步和升级，相信在未来的时间，随着该产业公司和研究机构对技术进步和革新的追求，芯片造价不断降低，性能的纪录不断被刷新，众多新技术与新应用被不断开发与推广。 

　　1.2 国内现状 

　　国内从事工业RFID读写器产业的公司生产规模都不大，生产成本比较高，在众多的全国工业RFID读写器企业中，绝大多数为各种代理、外企分支机构、系统集成与应用系统开发企业，真正从事RFID核心技术开发、具有自主知识产权的企业寥寥无几，这是我国工业RFID读写器产业链中最薄弱的环节。针这样的现状和形势，科技部在国家高技术研究发展计划（863计划）的重大项目已经明确把“射频识别（RFID）技术与应用”列入，把UHF RFID的工作频段划分了840MHz～845MHz和920MHz～925MHz两个频段，2012年出台了基于ISO/IEC18000-6的国家标准，这对我国电子标签的发展起到了非常重要的作用。 

　　虽然与国外RFID芯片设计水平存在很大的差距，但是我国集成电路设计和制造业在近些年来也取得了令人瞩目的发展和成就。在RFID芯片方面，已经基本实现了自主设计。国内 RFID电子标签芯片设计公司主要有北京清华同方集成电路设计公司、上海华虹集成电路设计公司、上海复旦微电子公司等。在芯片制造方面，诸如复旦微电子、上海华虹、上海贝岭等优秀企业都具有大规模生产RFID芯片的能力。 

　　2 UHF RFID发展趋势 

　　2.1 与传感器相结合 

　　近年来，研究的热点集中在工业RFID读写器与无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）的结合方面，冷链物流的兴起更是为内嵌温度传感器的RFID电子标签的发展提供了广阔的发展机遇和空间。 

　　带有温度传感器的标签已经在很多论文中出现，而且市场上已经出现了这类成品标签。适用于RFID的温度传感器设计难点在于保证温度范围和精度的条件下使功耗控制在几个微瓦，甚至几百个纳瓦之内。目前的温度传感器，如果不采用校准，误差都是比较大的，因此，一般在RFID电子标签中采用的温度传感器都会采用校准技术，采用两点校准的比较多，这样又增加了标签的成本和复杂程度。 

　　一些论文中虽然提到过在RFID电子标签中集成光传感器，但是在实际中很难做到，主要问题在于光敏器件与工艺很难兼容，标签的封装对光线进入光敏器件的影响难以估计。但是相信随着设计技术的进步，封装技术的改进和工艺的完善，光传感器也许在不远的将来就会在RFID电子标签芯片中实现。 

　　对于压力传感器和湿度传感器，也存在着类似于光传感器一样的问题，而且相关的研究几乎还没有展开。 

　　2.2 片上天线 

　　采用和集成电路芯片相同的材料和工艺制作而成的天线叫做片上天线（On-Chip Antenna， OCA）。片上天线可以分为两种：第一种片上天线与电路芯片处在同一个硅衬底上，是真正意义上的片上天线，也称为片内天线；第二种片上天线与电路芯片不在同一硅衬底上，但被封装在同一个管壳内，也可以称做封装天线。 

　　片上天线的设计和制作受到面积限制、工艺限制和干扰限制，天线的尺寸依据半波长或 1/4波长，通常芯片的尺寸小于该尺寸，要使天线尺寸尽量少受封装面积和芯片的约束，就要求天线工作频率不能太低，目前已有的关于RFID 片上天线多集中在HF、UHF和 MW频段。同时，标准 CMOS 材料和工艺，低金属电导率、硅互连金属尺寸、高介电常数和低阻硅衬底等方面的因素，都会对片上天线的性能产生一定的影响。由于硅器件结构和芯片面积等因素的制约，RFID片上天线的增益、方向性等性能，都要比片外天线低，但对于单品的近距离应用，是可以接受的。与常规天线相比，片上天线具有自身优点：天线以及天线和芯片的连接都在芯片或封装内部实现，可以大大减小无线终端产品的体积，减轻产品的重量，并使产品的重复性和可靠性得到提高。天线与芯片在生产过程中一次生产出来，可以大幅度降低规模生产下的产品成本。 

　　2.3 大容量存储器 

　　由于受到芯片面积和功耗的限制，芯片中的存储器一般都比较小，普通的标签以512bit和1Kbit的最常见。但是用户希望的是大容量存储器，能够携带更多信息的标签对用户而言无疑更具有吸引力。在这种市场的推动下，大容量低功耗的存储器已经面世，目前，市场上已经出现了16Kbit、32Kbit甚至64Kbit存储器的UHF RFID电子标签。相信随着更深入的研究，更大容量更低功耗的存储器会被开发出来并应用在UHF RFID电子标签中。 

　　3 结语 

　　本文对工业RFID读写器国内外发展现状做了简单介绍，并根据目前市场以及最新研究论文，对工业RFID读写器未来的发展趋势做了总结，得出了与传感器相结合、RFID芯片上天线和大容量存储器三个方向将成为UHF RFID发展热点的结论。