2.2 RFID标签的反向散射

UHF频段无源RFID系统与其他无线通信系统相比，最大的特点就在于RFID标签并不像其他无线系统终端生成自己的载波信号，而是利用电磁波的二次辐射（散射）将应答信号反向散射给读写器。为此，在本节中将介绍反向散射方法的基本原理，以便更好地理解RFID系统的工作机制。

2.2.1 电磁波的散射

根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生新的变化电场。这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖、相互激发、交替产生，并以一定速度在空间传播。电磁波在传播过程中，可能会出现以下现象。

（1）直射。直射是电磁波直接传播到观察点的现象，这通常发生在均匀、线性、各向同性介质中。

（2）反射和透射。当电磁波入射到两种介质的分界面上时，会发生反射与透射。一部分能量进入新的介质形成透射波，一部分能量反射回原来的介质形成反射波。

（3）衍射或绕射。当电磁波遇到线度与波长可比拟的障碍物时，偏离直进光程的阴影区中产生的电磁场称为衍射场，如缝隙天线和口面场辐射问题。当电磁波遇到线度比波长大的障碍物时，偏离直进光程的阴影区中产生的电磁场称为绕射场，如无线电波在地球阴影区中的传播问题。

（4）干涉。同一辐射源发出的波经过不同路径到达测量点。这些波在测量点的相位一般不同，由此可产生相削干涉或相加干涉。同相相加，反相相削。当两路径差为波长的整数倍时，同相相加；当两路径差为半波长的奇数倍时，反相相削。

（5）散射。散射是指当电磁波入射到宏观物体或微观电子上时，引起物体上的诱导电荷和电流，或改变电子运动，从而向各个方向辐射电磁波的过程。以光波为例，它主要和物质（气、液、固）中的电子发生相互作用。因此，当光波入射到物体上时，光波的电场使物质中的电子加速。这些加速了的电子沿不同方向辐射出电磁波。结果，沿入射波传播方向的辐射将有所减弱，所减弱的能量分布到其他方向上。

电磁波的散射是自然界中重要而普遍的现象之一，并有着广泛的应用。在波长极短的情形下，光的量子性十分显著，这时光的散射又称为光子的散射。波长小于 4×10 ^-12 m的电磁波的散射称为 γ 光子散射，它是研究核结构的工具之一；稍长波长的散射称为 X射线的散射，它是研究晶体结构极有力的分析方法；在可见光区内，光的散射产生五彩缤纷的自然景象，如蓝天、红日和白云；有源遥感是通过可见光、红外线和微波的散射数据来确定目标性质的一种新技术；微波的散射是雷达确定目标的方位和距离的主要依据；超短波在对流层中的散射可以用于远距离的通信等。而本节则主要关心无线电波的散射。

无线电波是波长较长的电磁波，当无线电波入射到尺寸比波长小得多的障碍物时，即发生散射。如果障碍物尺寸比波长大，则一部分遭受反射，另一部分则绕过此障碍物产生衍射现象。尽管原则上散射场可以根据麦克斯韦方程组及边界条件求得，但只有少数比较简单的情况，如处于均匀各向同性介质中几何形状比较简单的障碍物（如柱、球、锥、尖劈、狭缝等）的散射，才能求出其精确解。近40年来，由于实践的需要，经典散射理论颇受科技界重视，并发展了旋磁介质和旋电介质电动力学，提出了许多探讨任意形状障碍物散射的近似方法，如几何衍射法、变分法、微扰法、矩量法、单矩法、有限元法等，具体可参考电磁学方面的教材。

如果介质是均匀各向同性的，则电磁波的传播不受干扰，也不发生偏转，如果介质的电磁性质随空间或时间而变化，则波将发生散射。在高层大气中，由大气密度涨落所引起的无线电波的无规则漫射，使远距离通信成为可能。

2.2.2 雷达基本原理

最早将反向散射原理应用于通信技术中的例子就是雷达系统。而RFID反向散射的原理与其极其类似，在这里介绍雷达的基本工作原理，并引入雷达截面积（RCS）这一重要概念。

雷达的简单工作原理示意图如2-5所示，当电磁波从雷达天线向周围空间发射时，到达目标的一部分高频能量以不同的强度散射（或反射）到自由空间的各个方向。当然，有某一小部分能量会遇到不同的目标返回到发射天线，被称为回波。在雷达技术中，通过测量回波信号来确定远程目标的距离和定位。

设雷达发射机功率为P _t ，当使用各向均匀辐射的天线发射时，距雷达R远处任一点的功率密度 可以表示为

实际雷达总是使用定向天线将发射机功率集中辐射于某些方向上。天线增益G用来表示相对于各向同性天线，实际天线在辐射方向上功率增加的倍数。因此当发射天线增益为G时，距雷达R处目标所照射到的功率密度为

目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用雷达截面积σ来表征目标截获入射功率后再次辐射回雷达处功率的大小，或用下式表示在雷达处的回波信号功率密度

由此可见，参数σ具有面积的量纲。σ的大小随具体目标而异，它可以表示目标被雷达有效接收的程度。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分，设天线的有效接收面积为A _e ，则雷达收到的回波功率P _r 为

当接收到的回波功率P _r 等于最小可检测信号S _min 时，雷达达到其最大作用距离R _max ，超过这个距离后，就不能有效地检测到目标。

上述一系列推导构成了基本雷达方程，从中可以发现，如果目标有意改变雷达截面积σ的大小，雷达接收端就会收到不同功率的信号，从而提取信息，这就是雷达进行识别的基本原理，也是RFID系统反向散射的基础。

2.2.3 RFID系统的反向散射调制

UHF频段的RFID系统与雷达系统类似，也根据电磁波的反向散射原理工作，无论是无源标签还是有源标签，标签中存储数据的读取过程都是依靠标签天线将接收到的电磁波进行反向散射调制来完成的。

标签天线的散射过程可用发射天线T、散射天线S和接收天线R构成的线性三端口网络系统来描述，如图2-6所示，并可利用基本雷达方程求出接收天线R处散射场E _S 的表达式。天线的散射通常包括两部分：一部分是与散射天线负载情况无关的结构项散射场，它是由入射平面波在天线结构上的感应电流或位移电流所产生的散射场，其散射机理与普通散射场机理相同；另一部分则是随天线负载情况而变化的天线模式项散射场，它是由负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个载波散射体而特有的散射场。

标签的芯片一般可以实现三种阻抗变化：一种是开路，一种是短路，另一种是匹配负载。在大部分情形下，标签采用短路和匹配负载两种状态来分别代表“0”和“1”两种信息位。在这两种状态下，标签天线的反射系数F会相应地做出改变。从而对标签雷达截面积σ值产生显著影响。这样，如果标签的σ很大，而且在短路和匹配负载两种状态下的σ变化值很大，即可增加标签的可读性。这也是从根本上提高标签性能的方法之一。

当标签天线负载阻抗Z _L 与天线的输入阻抗R _a 完全匹配时，天线接收到的能量被完全吸收，此时标签天线的散射截面只由天线结构项散射截面σ _s 构成。当天线短路时，即Z _L =0时，天线接收到的功率全部被天线反射出去，此时标签天线的散射截面由天线结构项散射截面σ _s 和天线模式项散射截面σ _e 构成。当天线开路时，Z _L =∞，天线模式项散射截面σ _e 为负，天线的总散射截面为最小值，不利于识别，因此大多数情况采用匹配负载和短路两种情形。图2-7所示为标签天线反向散射调制示意图。

因此，散射截面σ的变化与负载阻抗Z _L 有关。RFID系统利用这一特性，通过芯片内存储的数据信息来控制天线负载的变化，也就是σ的变化，从而将RFID标签存储的数据信息调制到反向散射的电磁波中，并发送到读写器中，实现了数据的读取过程。RFID标签中的可变负载要随着传输数据流的节拍变化，这样，散射截面面积σ实际上被芯片存储的数据流调制。因为RFID标签反向散射的信号功率是由数据决定的，所以这种调制相当于通信原理中的幅移键控（ASK）。