第1章

RFID技术的发展及现状

1.1 研究背景及意义

1.1.1 RFID技术的起源

RFID（Radio Frequency Identification）技术起源于第二次世界大战时期欧洲上空极其惨烈的空战，对于我们每一位生活在和平时代的人来说，都不应该忘记那一段历史。

1940年6月，随着法国的败降，西欧大地的枪炮声停息了。但沉寂了半个多月以后，西欧上空又响起了震耳欲聋的炸弹爆炸声，不列颠空战开始了。

希特勒亲自拟定了入侵英国的“海狮计划”。为保障渡海登陆作战，德军企图首先夺取制空权，以摧毁英国的防御工事，消灭英国空军，并钳制住皇家空军。于是，德国空军元帅戈林集结了德国空军主力3个航空队和2669架飞机，战斗机和轰炸机各占一半，而英国只有700架战斗机和500架轰炸机，德国占有2∶1的巨大优势。戈林狂妄地对德陆军总司令说：“要完全摧毁英国空军，需要2～4周时间，单靠空军就能使英国屈膝投降。”

1940年7月16日，不列颠空战开始了。德国空军以英吉利海峡的护航舰队为攻击目标，并对英国南岸港口进行骚扰性攻击，目的是诱出英国战斗机加以歼灭。但英国空军不上当，每次瞄准机会以少量飞机出击，使德国元气大伤。一个月的时间，英军仅损失战斗机148架，而德军却损失296架飞机。

从8月13日到9月6日，空战进入第二阶段。德国空军大规模地轰炸英军机场、雷达站、飞机工厂和补给设施，并寻求同英国飞机进行空中决战。从8月24日起，战事进入了决定性的阶段，德军每天出动1000多架次飞机。严重破坏了英国南部5个军用机场和6个雷达站，几乎摧毁了南部整个通信系统。在那些紧张的日子里，英伦上空整天马达轰鸣，火光闪闪，被击中的飞机拖着长长的黑烟栽进大海，或者落入荒郊和居民点。此时，英国对德国本土发起反击，81架英国轰炸机突破两层高射炮火网，把炸弹投到德国首都柏林，使德国举国震惊。

从9月7日到翌年5月为第三阶段，德军开始对伦敦和其他主要工业城市实施“恐怖轰炸”，企图摧毁英国工业生产，摧毁英国军民的抵抗意志。然而，英国军民越战越勇，德机的损失与日俱增，促使希特勒在1941年6月向他的陆军首脑们宣布进攻苏联的决定，10月12日，希特勒终于正式承认入侵英国失败。图1.1所示为不列颠空战中的真实照片。

在“不列颠空战”中，德军共出动飞机416万多架次，向英国投掷6万吨炸弹，炸死炸伤英国居民8.6万余人，炸毁100多万栋建筑物。英军以915架飞机和414名飞行员的代价摧毁了1733架德机，击毙和俘获6000名德国飞行员，取得了不列颠空战的辉煌胜利。

在这次胜利中起到关键作用的一项技术便是1935年英国空军司令部最先提出的无线电敌我识别系统。因为在不列颠战役中，德国BF—109E战机与英国的“飓风”Mk.I、“喷火”Mk.I战机轮廓相像，在快速、混乱、极端危险的空战中它们看起来十分相似，单靠肉眼的敌我识别根本无法在瞬息万变的空战中占得先机。英军的无线电敌我识别系统在该次空战中为英国空军取得了巨大的技术优势，为不列颠空战的最终胜利立下了汗马功劳。

当时的敌我识别器大多与雷达协同工作，识别的“友”、“敌”信息在雷达显示器上表明。敌我识别器一般由询问器和应答器两个部分组成并配合工作。其工作原理是询问器发射事先编好的电子脉冲码，若目标为友方，则应答器接收到信号后会发射已约定好的脉冲编码；如果对方不回答或回答错误即可认为是敌方。基本具备了目前RFID技术的主要特征，成为RFID技术的起源。

1.1.2 RFID技术的发展

1948年，Harry Stockman发表的《Communication by Means of Reflected Power》一文为RFID的发展奠定了理论基础。从20世纪60年代开始，RFID技术步入快速发展的轨道。1960年，D.B.Harris申请了一项关于“可调制无源应答器的射频传输系统”的专利。1963年，Robert Richardson发表的《Remotelyactivated Radio Frequency Powered Devices》为无源RFID标签提供了实现的思路。随后，1964年，R.EHarrington发表了关于负载散射理论的重要论文，系统阐述了采用负载来调制散射能量的理论基础。1967年，Vinding发表的《Interrogator-responder Identification System》正式提出了RFID的工作方式。1968年，J.H.Vogelman获得了一项采用雷达回波传输数据的无源技术专利。这一系列的研究成果使得RFID技术的理论基础慢慢走向成熟。20世纪70年代，RFID技术得以广泛的研究。有人提出了采用反向散射调制实现的短距离射频遥测与识别的工作方式，给出了完整的无源电子标签的设计方案。至此，RFID技术的理论研究基本成熟。

RFID技术的商业应用从20世纪60年代末期开始，以“l bit应答器”为基础的电子商品监督系统（EAS，Electronics Article Surveilance）开始广泛应用于各商场、超市，主要用于商场防盗，至今仍在使用。20世纪70年代，随着RFID技术理论的不断发展成熟，RFID产品也出现了，如美国RCA公司的“摩托车电子执照”与Fairchild公司的无源微波编码应答器。但是，这阶段的产品实现主要还是依靠分立元件搭建，成本及性能仍然无法满足需要。到了20世纪80年代，随着集成电路的发展，RFID标签电路可以集成在单个芯片之中，使得单芯片的无源RFID标签成为可能。这阶段，很多应用开始被尝试，其中以交通运输的应用最为成功。20世纪90年代，RFID技术快速发展，RFID技术在世界各国得以发展和应用。各大芯片厂商也积极开发各种无源RFID芯片，并推动其应用。RFID技术在电子收费系统、不停车收费、汽车防盗等众多领域得以应用。进入21世纪，RFID技术逐渐发展成熟。标签芯片的性能得以进一步提升，而价格也慢慢地为用户所接受，RFID技术大规模应用的技术条件基本成熟。

随着RFID技术的快速发展，RFID的标准化工作也被提上了日程。1999年，麻省理工学院与剑桥大学成立了AutoID Center，并提出了产品电子代码（EPC，Electronic Product Code）及物联网（Intenet of Things）概念。EPC的载体是RFID电子标签，并借助互联网来实现信息的传递。EPC旨在为每一件单品建立全球的开发标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平，降低物流成本。2003年，由EAN（欧洲物品编码协会）和UCC（美国统一代码委员会）两大标准化组织联合成立了EPC global。2006年，EPC Gen2（Classl）正式演变为ISO/IEC 18000.6C，成为无源UHF RFID的国际标准。我国也在超高频RFID标准化的工作上做了很多努力。2005年11月和12月，中国RFID产业联盟和电子标签标准工作组先后成立，为RFID电子标签国家标准的制定提供技术支持。

AutoID中心提出的EPC和“物联网”概念，得到世界500强跨国公司中大多数企业和各国政府的支持，RFID技术由此得到迅猛的发展。在美国，大型剃须刀生产企业吉列公司于2003年1月宣布以低于10美分的单价购买5亿个RFID标签并安装到每个商品进行实验，拉开了RFID在商业物流领域的应用序幕。而世界最大零售商沃尔玛公司要求所有供应商的产品包装都要加贴电子标签。此项行动在RFID电子标签的采购量上就达10亿个。在政府采购方面，美国国防部正在推进全面导入电子标签计划，要求其供应商从2005年开始，在每年价值240亿美元的运输箱、集装箱和包装箱上使用RFID标签。

在欧洲，10家零售巨头中有4家公司宣布从2004年开始使用RFID。英国零售业巨头Tesoc确定从2004年4月起，在分配中心对非食品包装箱使用电子标签，跟踪这些包装箱到各个商场。世界第五大零售商，德国麦德龙公司宣布，从2004年11月将开始大幅扩展电子标签的应用试验—“未来商店”：从供应商产品出厂到摆上货架，将使用RFID标签对商品流通进行跟踪管理。其对象包括100家供应商、10个物流网点，以及德国内250家分店。

在日本，2003年10月，日本经产省提出了电子标签的应用普及策略，并于2004年5月公布了日本的商品编码体系标准。日本为此成立了技术产业联盟，约有100家企业参与RFID相关技术的研究和开发，以及行业试点应用。

如图1.2所示，根据国外咨询机构ABI Research统计，全球RFID产业的市场从2005年的20亿美元左右，迅速增长到2009年的80～100亿美元。继条码之后，RFID技术正在成为全球贸易、制造业和供应链管理的基础，对全球各行业的生产、流通和管理模式都将带来深刻的变革。RFID技术即将成为继互联网和手机之后，全球信息产业的又一场技术革命。

在中国，RFID技术处于刚刚起步的阶段。1993年，我国政府颁布实施“金卡工程”计划，加速我国国民经济信息化进程。1996年10月，北京首都机场高速公路收费站安装了国内首个基于RFID技术的不停车收费系统，其设备从美国AMTECH公司引进。1999年，我国铁道部开始投资建设自动车号识别系统，于2000年开始正式投入使用。2001年，我国交通部宣布开发使用电子车牌管理系统，在我国四川省宜宾市建立了国内第一个RFID试验工程，用于市内车辆交通管理与不停车收费。2001年7月，上海市虹桥国际机场组合式电子不停车收费系统（ETC）试验开通，该项目被国家经贸委和交通部确定为“高等级路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目的示范工程。2002年，深圳市皇岗海关与香港特别行政区共同建设粤港不停车通关系统，在往来车辆上安装了具有防拆功能的RFID标签。2008年12月21日，北京市区域内所有高速公路开始使用“速通卡”实现电子刷卡收费。

近年来，中国加速了制定自己RFID标准的进程，技术研发和产业化准备工作也在同步进行。2004年4月底，中国政府加入了全球化标准组织EPC global，成立EPC global China。2005年12月，中国信息和工业化部宣布成立电子标签国家标准工作组，负责起草和制定中国RFID技术的国家标准。

中国是世界上最大的OEM（Original Equipment Manufacture）制造基地。例如，全球最大零售商沃尔玛，每年有70%的货品是在中国生产和采购的。随着我国加入“世贸”和世界经济一体化进程加快，跨国公司利用RFID技术构筑起全球一体化的供应链网络，没有标贴RFID标签的产品很难进入跨国企业的采购名单。RFID技术正在成为继环保之后的又一个非关税贸易壁垒。当“Made in China”的产品走向世界的时候，必定要在产品里安装符合世界通用标准的RFID标签。国内厂商唯有尽早掌握RFID技术，逐步与国际供应链的先进水平接轨，才能在激烈竞争的国际市场内赢得一席之地。研究RFID的关键技术，提升我国应用RFID技术的水平，已成为当前我国产业的迫切需要。与此同时，全球兴起的RFID应用热潮，为我国电子信息产业带来了广阔的发展空间，RFID有望成为我国信息产业的又一个新兴增长点。而只有掌握了自主知识产权的核心技术，我国的RFID产业才能在全球竞争中占据一席之地，不会受制于人；才不会出现家电行业、手机行业那样虽是自主品牌，但还在大量为国外企业组装产品的情景。只有掌握了自主知识产权的核心技术，才能大幅度降低RFID技术的应用门槛，减轻国家和企业应用RFID技术的负担，推动RFID技术在国内各个行业的普及应用。

虽然当前RFID技术与应用发展迅速，但尚未成熟，主要有两方面的原因：一方面是标签成本仍然无法降低到所有厂家可以接受的程度，从而无法实现所有物品的单品标志；另一方面就是RFID标签的性能还不能满足所有行业的需求，尤其是一些特殊的领域，阻碍了RFID技术的推广和普及。这些特殊的领域，也成为了各高校和研究机构的研究热点。这些热点包括RFID抗金属标签、双频段标签、圆极化标签等。因此，有必要对这几种标签的原理及设计方法进行探索与创新，推进我国的科研机构和企业在超高频RFID标签天线设计方面的研究及相关产业的发展，使中国在RFID领域的国际舞台上占有一席之地。