《無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用》課件第2章

第2章RFID系統(tǒng)的基本原理2.1RFID的基本工作原理2.2RFID的耦合方式2.3天線2.4諧振回路2.5電磁波的傳播

2.1RFID的基本工作原理

電子標(biāo)簽與讀卡器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。發(fā)生在讀卡器和高頻電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合主要采用電感耦合，見(jiàn)圖2-1。圖2-1是根據(jù)變壓器模型，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。圖2-1電感耦合的工作原理電感耦合的原理是：兩電感線圈在同一介質(zhì)中，相互的電磁場(chǎng)通過(guò)該介質(zhì)傳導(dǎo)到對(duì)方，形成耦合。最常見(jiàn)的電感耦合是變壓器，即用一個(gè)波動(dòng)的電流或電壓在一個(gè)線圈(稱(chēng)為初級(jí)線圈)內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)中的另外一組或幾組線圈(稱(chēng)為次級(jí)線圈)上就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)比例的磁場(chǎng)(與初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)有關(guān))，它是電感耦合的經(jīng)典杰作。電感耦合方式一般用于高、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)中。該RFID系統(tǒng)典型的工作頻率有125kHz、225kHz和13.56MHz；識(shí)別作用距離小于1m，典型的作用距離為10cm～20cm。電子標(biāo)簽與讀卡器之間的耦合通過(guò)天線完成。這里的天線通?？梢岳斫鉃殡姶挪▊鞑サ奶炀€，有時(shí)也指電感耦合的天線。

如前所述，一套完整的RFID系統(tǒng)如圖2-2所示，它是由讀卡器、電子標(biāo)簽(也就是所謂的應(yīng)答器)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部分組成，其工作原理是讀卡器發(fā)射一特定頻率的電磁波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動(dòng)應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，讀卡器依序接收并解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。圖2-2RFID系統(tǒng)工作原理

RFID技術(shù)的工作原理并不復(fù)雜：首先，讀卡器通過(guò)天線發(fā)送某種頻率的RF(射頻)信號(hào)，電子標(biāo)簽產(chǎn)生引導(dǎo)電流，當(dāng)引導(dǎo)電流到達(dá)天線工作區(qū)的時(shí)候，電子標(biāo)簽被激活；之后，電子標(biāo)簽通過(guò)內(nèi)部天線發(fā)送自己的代碼信包；天線接收到由電子標(biāo)簽發(fā)射的載體信號(hào)后把信號(hào)發(fā)送給讀卡器；讀卡器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行譯碼，并將調(diào)整和譯碼后的信號(hào)發(fā)送給應(yīng)用軟件系統(tǒng)；然后，應(yīng)用軟件系統(tǒng)通過(guò)邏輯操作判斷信號(hào)的合法性，再根據(jù)不同的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的操作。讀卡器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不同可以是讀裝置或讀/寫(xiě)裝置，它是RFID系統(tǒng)信息的控制和處理中心。讀卡器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。讀卡器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，它通過(guò)耦合給無(wú)源應(yīng)答器提供能量和時(shí)序。在實(shí)際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過(guò)Ethernet或WLAN等實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。目前讀卡器大多是由耦合元件(線圈、微帶天線等)和微芯片組成無(wú)源單元。 2.2RFID的耦合方式

2.2.1電感耦合方式

RFID電感耦合方式也叫做近場(chǎng)工作方式，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。電感耦合方式的射頻頻率fc為13.56MHz和小于135kHz的頻段，電子標(biāo)簽與讀卡器之間的工作距離一般在1m以下，典型作用距離為10cm～20cm。

RFID電感耦合方式的電子標(biāo)簽幾乎都是無(wú)源的，其能量是從讀卡器所發(fā)送的電磁波中獲取的。由于讀卡器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度受到電磁兼容性能有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限制，所以電感偶合方式的工作距離較近。在圖2-3中，US是射頻源，L1、C1構(gòu)成諧振回路，RS是射頻源的內(nèi)阻，R1是電感線圈L1的損耗電阻。US

在L1上產(chǎn)生高頻電流i，在諧振時(shí)電流i最大。高頻電流i產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)線圈，并有部分磁力線穿過(guò)距讀卡器電感線圈L1一定距離的電子標(biāo)簽電感線圈L2。由于電感耦合方式所用工作頻率范圍內(nèi)的波長(zhǎng)比讀卡器與電子標(biāo)簽之間的距離大得多，所以線圈L1、L2間的電磁場(chǎng)可以當(dāng)做簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)。圖2-3RFID電感耦合方式的電路結(jié)構(gòu)圖穿過(guò)電感線圈L2的磁力線通過(guò)電磁感應(yīng)，在L2上產(chǎn)生電壓U2，將U2整流后就可以產(chǎn)生電子標(biāo)簽工作所需要的直流電壓。電容C2的選擇應(yīng)使L2、C2構(gòu)成對(duì)工作頻率諧振的回路，以使電壓U2達(dá)到最大值。由于電感耦合系統(tǒng)的效率不高，所以這種工作方式主要適用于小電流電路。電子標(biāo)簽功耗的大小對(duì)讀寫(xiě)距離有很大的影響。

一般地，讀卡器向電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸可以采用多種數(shù)字調(diào)制方式，通常采用較為容易實(shí)現(xiàn)的幅移鍵控(ASK)調(diào)制方式；而電子標(biāo)簽向讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸采用負(fù)載調(diào)制的方法，負(fù)載調(diào)制實(shí)質(zhì)上是一種振幅調(diào)制，也稱(chēng)調(diào)幅(AM)。2.2.2反向散射耦合方式

RFID反向散射耦合方式也叫做遠(yuǎn)場(chǎng)工作方式。

RFID反向散射耦合采用雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

由于目標(biāo)的反射性能隨著頻率的升高而增強(qiáng)，所以RFID反向散射耦合方式采用超高頻(UHF)和特高頻(SHF)，電子標(biāo)簽和讀卡器的距離大于1m，典型工作距離為3m～10m。

RFID反射散射耦合方式的原理框圖如圖2-4所示。圖2-4RFID反射散射耦合方式的原理框圖

(1)電子標(biāo)簽的能量供給。無(wú)源標(biāo)簽的能量由讀卡器提供，讀卡器天線發(fā)射的功率P1經(jīng)自由空間傳播后到達(dá)電子標(biāo)簽，設(shè)到達(dá)功率為，則中被吸收的功率經(jīng)電子標(biāo)簽中的整流電路后形成電子標(biāo)簽的能量供給。

(2)讀卡器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸。讀卡器到電子標(biāo)簽的命令及數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)根據(jù)RFID相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行編碼和調(diào)制。

(3)電子標(biāo)簽到讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸。反射功率P2經(jīng)自由空間傳播到讀卡器，被讀卡器天線接收。接收信號(hào)經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸至讀卡器的接收端，經(jīng)接收電路處理后獲得相關(guān)的有用信息。

RFID電感耦合方式一般適用于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)中，而RFID反向散射耦合方式則一般適用于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)中。

2.3天線

2.3.1天線的工作模式

1．近場(chǎng)天線工作模式

感應(yīng)耦合模式主要是指讀卡器天線和電子標(biāo)簽天線都采用線圈形式。讀卡器在閱讀電子標(biāo)簽時(shí)，發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，處于讀卡器天線近場(chǎng)的電子標(biāo)簽天線接收到該信號(hào)并激活電子標(biāo)簽芯片，由電子標(biāo)簽芯片根據(jù)其內(nèi)部存儲(chǔ)的全球唯一的識(shí)別號(hào)(ID)來(lái)控制電子標(biāo)簽天線中電流的大小。這一電流的大小進(jìn)一步增強(qiáng)或者減小讀卡器天線發(fā)出的磁場(chǎng)。這時(shí)，讀卡器的近場(chǎng)分量展現(xiàn)出被調(diào)制的特性，讀卡器的內(nèi)部電路檢測(cè)到這個(gè)由于電子標(biāo)簽而產(chǎn)生的調(diào)制量解調(diào)并得到電子標(biāo)簽信息。當(dāng)RFID的天線線圈進(jìn)入讀卡器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中時(shí)，RFID天線與讀卡器天線之間的相互作用就類(lèi)似于變壓器，兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。由RFID的天線線圈形成的諧振回路包括RFID天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容Cr，其諧振頻率為其中C為Cp和Cr的并聯(lián)等效電容。

RFID應(yīng)用系統(tǒng)就是通過(guò)這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信的。常用的ID-1型非接觸式IC卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm?×?54.03mm?×?0.76mm)，天線線圈諧振工作頻率通常為13.56MHz。目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm?×?0.4mm天線線圈的短距離RFID應(yīng)用系統(tǒng)。某些應(yīng)用要求RFID天線線圈外形很小，且需一定的工作距離，如用于動(dòng)物識(shí)別的RFID。但如果線圈外形即面積小，RFID與讀卡器間的天線線圈互感M將不能滿足實(shí)際需要。作為補(bǔ)救措施通常在RFID天線線圈內(nèi)插入具有高導(dǎo)磁率p的鐵氧體，以增大互感，從而補(bǔ)償因線圈橫截面減小而產(chǎn)生的缺陷。

2．遠(yuǎn)場(chǎng)天線工作模式

在反向散射工作模式中，讀卡器和電子標(biāo)簽之間采用電磁波來(lái)進(jìn)行信息的傳輸。當(dāng)讀卡器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行閱讀識(shí)別時(shí)，首先發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的電磁波。此時(shí)位于遠(yuǎn)場(chǎng)的電子標(biāo)簽天線接收到電磁波信號(hào)并在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電子標(biāo)簽內(nèi)部電路將這個(gè)感應(yīng)電壓進(jìn)行整流并放大用于激活標(biāo)簽芯片。電子標(biāo)簽芯片被激活后，將用自身的全球唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)對(duì)電子標(biāo)簽芯片阻抗進(jìn)行變化。當(dāng)電子標(biāo)簽天線和電子標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配較好時(shí)基本不反射信號(hào)，而阻抗匹配不好時(shí)則將幾乎全部反射信號(hào)，這樣反射信號(hào)就出現(xiàn)了振幅的變化，這種情況類(lèi)似于對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制處理。讀卡器通過(guò)接收到經(jīng)過(guò)調(diào)制的反射信號(hào)判斷該電子標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)號(hào)并進(jìn)行識(shí)別。遠(yuǎn)場(chǎng)天線主要包括微帶貼片天線、偶極子天線和環(huán)形天線。微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的。根據(jù)天線輻射特性的需要，可把貼片導(dǎo)體設(shè)計(jì)為各種形狀。通常，微帶貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬底板間的距離為幾十分之一波長(zhǎng)。假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒(méi)有變化，僅沿約為半波長(zhǎng)的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化，則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開(kāi)路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的，輻射方向基本確定。因此，微帶貼片天線一般適用于通信方向變化不大的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中。在遠(yuǎn)距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線(又稱(chēng)對(duì)稱(chēng)振子天線)。偶極子天線是由處于同一直線上的兩段粗細(xì)和長(zhǎng)度均相同的直導(dǎo)線構(gòu)成，信號(hào)由位于其中心的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，使得在偶極子的兩臂上產(chǎn)生一定的電流分布，從而在天線周?chē)臻g激發(fā)出電磁場(chǎng)。輻射場(chǎng)的電場(chǎng)可由下式求得：(2-1)式中：Iz為沿振子臂分布的電流；為相位常數(shù)；r是振子中觀察點(diǎn)的距離；為振子軸到r的夾角；z為振子臂的方向；l為單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度。

同樣，也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗、帶寬和天線增益等特性參數(shù)。

當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度l?=?λ/4時(shí)(半波振子)，輸入阻抗的電抗分量為零，天線輸出為一個(gè)純電阻。在忽略電流在天線橫截面積內(nèi)不均勻分布的條件下，簡(jiǎn)單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度l為λ/4的整數(shù)倍，如工作頻率為2.45GHz的半波偶極子天線，其長(zhǎng)度約為6cm。2.3.2天線的基本參數(shù)

1．方向圖

天線的方向圖又稱(chēng)波瓣圖，是天線輻射場(chǎng)的大小在空間的相對(duì)分布隨方向變化的圖形。天線的輻射場(chǎng)都具有方向性，方向性就是在相同的距離條件下天線輻射場(chǎng)的相對(duì)值與空間方向(子午角θ、方位角)的關(guān)系，常用式(2-2)的歸一化函數(shù)表示：(2-2)式中：為方向函數(shù)的最大值；為最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度；為同一距離方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。天線方向性系數(shù)的一般表達(dá)式為(2-3)其中，D≥1，對(duì)于無(wú)方向性天線才有D=1。D越大，天線輻射的電磁能量就越集中，方向性就越強(qiáng)，它與天線增益密切有關(guān)。實(shí)際上，天線因?yàn)閷?dǎo)體本身和其絕緣介質(zhì)都要產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致天線實(shí)際的輻射功率Pr小于發(fā)射機(jī)提供的輸入功率Pin，因此定義天線的工作效率為(2-4)

2．增益

增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)功率密度之比，它定量地描述了天線把輸入功率集中輻射的程度。增益G定義為方向性系數(shù)與效率的乘積：G?=?D·η

(2-5)

3．天線的極化

極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律，即在空間某一固定位置上，電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖形。該圖形如果是直線，就稱(chēng)為線極化；如果是圓，就稱(chēng)為圓極化。線極化又可以分成垂直極化和水平極化，圓極化可分成左旋圓極化和右旋圓極化。當(dāng)電場(chǎng)矢量繞傳播方向左旋變化時(shí)，稱(chēng)為左旋圓極化；當(dāng)電場(chǎng)矢量繞傳播方向右旋變化時(shí)，稱(chēng)為右旋圓極化。圓極化波入射到一個(gè)對(duì)稱(chēng)目標(biāo)上時(shí)，反射波是反旋向的。沿波的方向看去，當(dāng)它的電場(chǎng)矢量矢端軌跡是橢圓時(shí)，則稱(chēng)該天線為橢圓極化波，其同樣分左右旋，區(qū)別方法同圓極化波。如圖2-5所示為天線的極化方式示意圖。圖2-5中，Ex、Ey、Ez是指電場(chǎng)矢量在x、y、z軸上的投影，ωt是電場(chǎng)矢量的相位角。圖2-5天線的極化方式示意圖(a)線極化；(b)圓極化或橢圓極化；(c)橢圓極化

4．頻帶寬度

當(dāng)天線的工作頻率變化時(shí)，天線有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱(chēng)為頻帶寬度(Bandwidth)，它有兩種不同的定義：

(1)在駐波比VSWR≤2的條件下，天線的工作頻帶寬度。

(2)天線增益下降3dB范圍內(nèi)的頻帶寬度。

根據(jù)頻帶寬度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。若天線的最高工作頻率為fmax，最低工作頻率為fmin，對(duì)于窄頻帶天線，一般采用相對(duì)帶寬，即用?|(fmax-fmin)/f0|×100%來(lái)表示其頻帶寬度；而對(duì)于超寬頻帶天線，常用絕對(duì)帶寬，即用fmax/fmin來(lái)表示其頻帶寬度。2.3.3天線的設(shè)計(jì)要求

1．讀卡器天線

對(duì)于近距離125kHz的RFID應(yīng)用，比如門(mén)禁系統(tǒng)，天線一般與讀卡器集成在一起；對(duì)于遠(yuǎn)距離13.56MHz或者超高頻段的RFID系統(tǒng)，天線與讀卡器采用分離式結(jié)構(gòu)，并通過(guò)阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境的多樣性，以及小型化的要求，天線設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。讀卡器天線的設(shè)計(jì)要求低剖面、小型化以及頻段覆蓋。

2．應(yīng)答器天線

天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)入電子標(biāo)簽芯片，這需要仔細(xì)地設(shè)計(jì)天線與電子標(biāo)簽芯片的匹配，當(dāng)工作頻率增加到尾端頻段時(shí)，天線與電子標(biāo)簽芯片間的匹配問(wèn)題更加重要。在RFID應(yīng)用中，電子標(biāo)簽芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測(cè)試，而缺少準(zhǔn)確的參數(shù)，天線設(shè)計(jì)將難以達(dá)到最佳。此外，相應(yīng)的小尺寸以及低成本等要求也對(duì)天線的設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此天線的設(shè)計(jì)面臨許多問(wèn)題。電子標(biāo)簽天線的特性受所標(biāo)識(shí)物體的形狀及物理特性的影響，而電子標(biāo)簽到貼電子標(biāo)簽的物體的距離、貼電子標(biāo)簽物體的介電常數(shù)、金屬表面的發(fā)射和輻射模式等都將影響到天線的設(shè)計(jì)。 2.4諧振回路

按電路連接方式的不同，諧振回路有串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路兩種。

1．串聯(lián)諧振回路

將圖2-5可簡(jiǎn)化為如圖2-6所示的串聯(lián)諧振回路。圖2-6串聯(lián)諧振回路在具有電阻R、電感L和電容C的串聯(lián)諧振交流電路中，電路兩端的電壓與其中電流的相位一般是不同的。調(diào)節(jié)電路元件(L或C)的參數(shù)或電源頻率使它們的相位相同，整個(gè)電路將呈現(xiàn)為純電阻性，將電路達(dá)到的這種狀態(tài)稱(chēng)之為諧振。在諧振狀態(tài)下，電路的總阻抗達(dá)到極值或近似達(dá)到極值。研究諧振的目的就是要認(rèn)識(shí)這種客觀現(xiàn)象，并在科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)上充分利用諧振的特征，同時(shí)又要預(yù)防它所產(chǎn)生的危害。在電阻、電感及電容所組成的串聯(lián)電路內(nèi)，當(dāng)容抗XC與感抗XL相等，即XC?=?XL時(shí)，電路中的電壓US與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)純電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振(也稱(chēng)為電壓諧振)。當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，電路的阻抗為電路中的總阻抗最小，電流將達(dá)到最大值。圖2-6中，在可變頻電壓US的激勵(lì)下，由于感抗、容抗隨頻率變動(dòng)，所以電路中的電壓、電流亦隨頻率變動(dòng)。電路中的電感和電容串聯(lián)在一起，可知該電路會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振，

其阻抗為

2．并聯(lián)諧振回路

電子標(biāo)簽電路中的電感和電容是并聯(lián)的，所以發(fā)生并聯(lián)諧振。諧振時(shí)，電容的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位，電源電能全部為電阻消耗，成為電阻電路。圖2-7為并聯(lián)諧振回路。圖2-7并聯(lián)諧振回路電路的導(dǎo)納為 2.5電磁波的傳播

RFID系統(tǒng)中的讀卡器和電子標(biāo)簽通過(guò)各自的天線構(gòu)建了兩者之間非接觸的信息傳輸信道，這種信息傳輸信道的性能完全由天線周?chē)膱?chǎng)區(qū)決定，遵循電磁傳播的基本規(guī)律。

受媒質(zhì)和媒質(zhì)交界面的作用，產(chǎn)生反射、散射、折射、繞射和吸收等現(xiàn)象，使其特性參數(shù)如幅度、相位、極化、傳播方向等發(fā)生變化。電磁波傳播已形成電子學(xué)的一個(gè)分支，它研究無(wú)線電磁波與媒質(zhì)間的這種相互作用，闡明其物理機(jī)理，計(jì)算其傳播過(guò)程中的各種特性參量，為各種電子系統(tǒng)工程的方案論證、最佳工作條件的選擇和傳播誤差的修正等提供數(shù)據(jù)和資料。根據(jù)電磁波傳播的原理，用無(wú)線電磁波來(lái)進(jìn)行探測(cè)，是研究電離層、磁層等的有效手段。電磁波傳播為大氣物理和高層大氣物理等的研究提供了探測(cè)方法，積累了大批的資料，并為數(shù)據(jù)分析提供理論基礎(chǔ)。

電磁波頻譜的范圍極其寬廣，是一種巨大的資源。研究電磁波傳播是開(kāi)拓利用這些資源，它主要研究幾赫茲(有時(shí)遠(yuǎn)小于1Hz)到3000GHz的無(wú)線電磁波，同時(shí)也研究3000GHz～384THz的紅外線、384THz～770THz光波的傳播問(wèn)題。電磁波傳播所涉及的媒質(zhì)有地球(地下、水下和地球表面等)、地球大氣(對(duì)流層、電離層和磁層等)、日地空間以及星際空間等。這些媒質(zhì)多數(shù)是自然界存在的，但也有許多人工產(chǎn)生的媒質(zhì)，如火箭噴焰等離子體和飛行器再入大氣層時(shí)產(chǎn)生的等離子體等，它們也是電磁波傳播的研究對(duì)象。這些媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，電氣特性各異，但就其在傳播過(guò)程中的作用可以分為三種類(lèi)型：連續(xù)的(均勻的或不均勻的)傳播媒質(zhì)，如對(duì)流層和電離層等；媒質(zhì)間的交界面(粗糙的或光滑的)，如海面和地面等；離散的散射體，如雨滴、雪、飛機(jī)、導(dǎo)彈等，它可以是單個(gè)的，也可以是成群的。這些媒質(zhì)的特性多數(shù)隨時(shí)間和空間而隨機(jī)地變化，因而與它們相互作用的波的幅度和相位也隨時(shí)間和空間而隨機(jī)變化。因此，媒質(zhì)和傳播波的特性需要用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)描述。2.5.1電磁波的頻譜

在RFID系統(tǒng)中，特定頻率范圍內(nèi)的無(wú)線電磁波經(jīng)過(guò)編碼，在讀卡器和電子標(biāo)簽之間傳輸。整個(gè)電磁波包括伽瑪射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、微波和無(wú)線電磁波，它們的不同之處在于波長(zhǎng)或頻率。無(wú)線電磁波可進(jìn)一步劃分成低頻、高頻、超高頻和微波，RFID技術(shù)一般采用的都是這些范圍內(nèi)的無(wú)線電磁波。通過(guò)無(wú)線電磁波進(jìn)行能量的輻射，可以描述成光子流。每個(gè)光子流都以波的形式光速運(yùn)動(dòng)，每個(gè)光子都攜帶一定大小的能量，不同電磁波輻射之間的區(qū)別在于光子攜帶能量的大小。無(wú)線電磁波的光子能量最低，微波比無(wú)線電磁波的能量高一點(diǎn)，紅外線的能量最高。電磁波頻譜可以通過(guò)能量、頻率或者波長(zhǎng)來(lái)表示，但是由于無(wú)線電磁波的能量都很低，因此常采用頻率和波長(zhǎng)來(lái)描述。電磁波的特性是頻率、波長(zhǎng)和速度，可通過(guò)公式實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。圖2-8給出了電磁波頻譜的劃分。圖2-8電磁波頻譜的劃分2.5.2電磁波的自由空間傳播

所謂的自由空間，指的是理想的電磁波傳播環(huán)境。自由空間傳播損耗的實(shí)質(zhì)是因電磁波擴(kuò)散損失的能量，其特點(diǎn)是接收電平與距離的平方以及與頻