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Balluff BIS U Basishandbuch
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Inhaltszusammenfassung für Balluff BIS U

  • Seite 1 BIS U Basic Manual deutsch Basishandbuch english Basic Manual 中文 基本手册...
  • Seite 2 www.balluff.com...
  • Seite 3 BIS U-Basishandbuch Grundlagen zum Betrieb eines UHF – RFID Systems deutsch...
  • Seite 4 www.balluff.com...
  • Seite 5 BIS U-Basishandbuch Einleitung Sicherheitsabstände zur Antenne Physikalische Grundlagen Physik der Sendeantenne Physik des Transponders Referenzantennen und Antennenparameter Referenz- oder Normantennen Antennengewinn Rückflussdämpfung und Spannungsstehwellenverhältnis Öffnungswinkel Vor-Rück-Verhältnis Impedanz Polarisation Achsenverhältnis Belastbarkeit (Power Rating) Antennenkabel Berechnung der abgestrahlten Leistung Eigenschaften der Komponenten und Systemverhalten Speichertopologie des Datenträgers...
  • Seite 6 BIS U-Basishandbuch Einleitung In diesem Dokument werden die physikalische Wirkungsweise des RF-Identifikationssystems BIS U sowie die Aufgaben der Einzelkomponenten innerhalb des Gesamtsystems beschrieben. Weiterhin werden die Ausbreitung und das Verhalten von elektromagnetischen Wellen im Raum und deren Wechselwirkung mit allgemeinen Gegenständen und Gebäudeeinrichtungen praxis- nah behandelt.
  • Seite 7 BIS U-Basishandbuch Sicherheitsabstände zur Antenne Beim Einsatz des Identifikationssystems BIS U ist es möglich, dass sich Menschen kurz oder auch längere Zeit im Strahlungsbereich der Antennen aufhalten. Zusätzlich zu den Produktnormen, die andere Funkdienste gegen Störungen oder Beeinträchti- gungen durch das RFID-System schützen sollen, hat die Internationale Strahlenschutzkommis- sion (ICRP) Grenzwerte für HF-Felder erarbeitet, um eine Schädigung des menschlichen Gewe-...
  • Seite 8 BIS U-Basishandbuch Sicherheitsabstände zur Antenne Es sind folgende Maßnahmen zur Einhaltung der Arbeitsschutzvorschrift möglich: – als organisatorische Maßnahme die Erstellung von Betriebsanweisungen, die notwendige Angaben für einen sicheren Betrieb enthalten und auf die Möglichkeit der Expositionen von elektromagnetischen Feldern hinweisen.
  • Seite 9 BIS U-Basishandbuch Physikalische Grundlagen Das BIS U-System gehört zur Klasse der UHF-Identifikationssysteme. Unterstützt werden Datenträger deren Luftschnittstellen-Protokoll gemäß ISO 18000-6C bzw. dem EPCglobal Class-1 Generation-2-Standard aufgebaut ist. Detailinformationen zu Leistungsmerkmalen der UHF-Identifikationssysteme, wie Betriebsfre- quenzen und Strahlungsleistungen sind in den entsprechenden Produkthandbüchern zu finden.
  • Seite 10 BIS U-Basishandbuch Physikalische Grundlagen 3.1 Physik der Sen- Die UHF-Antenne ist ein offener Schwingkreis, dessen elektrische Felder in den Raum hinaus deantenne reichen. Die einfachste Form einer UHF-Antenne ist ein elektrischer Dipol. Aufgrund der hohen Anregungsfrequenz kommt es aber bereits in der Nähe der Antenne zu Feldablösungen.
  • Seite 11 BIS U-Basishandbuch Physikalische Grundlagen 3.2 Physik des Trans- Die Antennen der Datenträger sind aufgrund ihrer Form und Größe in der Lage, die vom Identifi- ponders kationssystem BIS U ausgesandten elektromagnetischen Wellen sowohl zu reflektieren als auch zu absorbieren. Da der passive Transponder (Datenträger) keine eigene Energieversorgung z. B. in Form einer Batterie besitzt, muss er die für den Betrieb notwendige Energie aus dem elektromagnetischen...
  • Seite 12 BIS U-Basishandbuch Referenzantennen und Antennenparameter An die BIS U-Auswerteeinheit können nur passive Antennen angeschlossen werden. Die Lei- stungsbeschreibung der Antennen erfolgt über einen allgemein verbindlichen Parametersatz von messbaren Eigenschaften. Dies sind: – Antennengewinn – Rückflussdämpfung/VSWR – Öffnungswinkel – Vor-/Rückverhältnis – Impedanz –...
  • Seite 13 BIS U-Basishandbuch Referenzantennen und Antennenparameter 4.2 Antennengewinn Reale Antennen bündeln die Strahlung und besitzen daher eine Richtung maximaler Strahllei- stungsdichte (Hauptstrahlrichtung). Um Antennen unterschiedlicher Bauform bzw. Richtcharakteristik vergleichbar zu machen und um ein Maß zu nennen, wie stark die abgestrahlte Leistung einer Antenne in eine Vorzugsrich- tung gerichtet wird, muss der Antennengewinn herangezogen werden.
  • Seite 14 BIS U-Basishandbuch Referenzantennen und Antennenparameter 4.4 Öffnungswinkel Durch die Angabe des Öffnungswinkels wird ein weiterer Parameter der Richtcharakteristik einer Antenne erfasst. Man bezeichnet damit den Öffnungswinkel, bei dem gerade noch die halbe Leistung – Abfall der Leistung um 3 dB – abgestrahlt wird. Bezugsgröße ist wieder der Maximal- wert in Hauptstrahlrichtung.
  • Seite 15 BIS U-Basishandbuch Referenzantennen und Antennenparameter 4.6 Impedanz Für eine bestmögliche Leistungsübertragung zwischen der Auswerteeinheit und der Antenne müssen alle Komponenten die gleiche reelle Impedanz besitzen. Das BIS U-System ist zum Anschluss von Systemkomponenten (Antenne und Kabel) ausgelegt, die einen Wellenwiderstand bzw. eine Impedanz von Z = 50 Ω aufweisen.
  • Seite 16 BIS U-Basishandbuch Referenzantennen und Antennenparameter 4.8 Achsenverhältnis Eine exakt gleich große Auslenkung in beide Raumachsen wird bei realen Antennen jedoch nicht erreicht. Die so entstehende Polarisationsellipse wird durch das Achsenverhältnis (Axial-Ratio) der beiden Komponenten beschrieben. Für die BIS U 302-Antenne wird als typischer Wert 1 dB angegeben.
  • Seite 17 BIS U-Basishandbuch Antennenkabel Um Reflexionen und stehende Wellen (Resonanzen) in der Antennenzuleitung zu vermeiden, dürfen nur koaxiale Antennenkabel mit einem Wellenwiderstand bzw. einer Impedanz von Z = 50 Ω verwendet werden. Die Verluste, die bei der Übertragung der elektrischen Leistung an die Antenne entstehen, wer- den als Kabeldämpfung bezeichnet.
  • Seite 18 BIS U-Basishandbuch Berechnung der abgestrahlten Leistung Als abgestrahlte Leistung der Antennen wird immer der in Hauptstrahlrichtung messbare Wert angegeben. Grenzwerte bezüglich der von Antennen abgestrahlten Leistung, werden im Gel- tungsbereich der EU anhand einer sogenannten effektiven Strahlungsleistung (ERP = Effective Radiated Power), bezogen auf den Halbwellendipol angegeben.
  • Seite 19 TID - unveränderbare, eindeutige Produkt- und Seriennummer 32 bit Zugangspasswort 32 bit Kill-Passwort zur Zerstörung des Transponder (von BIS U nicht unterstützt) 7.2 Struktur des Mit Einführung des EPC-Codes soll ein Migrationspfad für den Übergang vom Barcode zur EPC-Codes RFID-Technologie geschaffen werden. Gemäß EPCglobal bzw. GS1-Konvention ist die Daten- struktur des 96 bit EPC-Codes wie folgt standardisiert.
  • Seite 20 BIS U-Basishandbuch Eigenschaften der Komponenten und Systemverhalten 7.3 Antennenformen Da im Fernfeld die Leistung ausschließlich aus dem elektrischen Feld entnommen wird, ist das der Datenträger Antennendesign weitgehend auf dipolähnliche Formen beschränkt. Eine Sonderstellung nehmen dabei Datenträger mit Schlitz-, Patch- oder Mikrostreifenresonatorantennen ein, die dann direkt auf Metallflächen montiert werden können.
  • Seite 21 BIS U-Basishandbuch Eigenschaften der Komponenten und Systemverhalten 7.4 Richtcharakteri- Das Dipol-Antennenprinzip des Datenträgers führt zu einer orientierungsabhängigen Empfindlich- stik der Datenträ- keit des Bauteils. ger-Dipolantenne Antenne φ Die 0°-Orientierung stellt α jeweils die ebene Lage in der x-y-Ebene dar. Abbildung 10: Orientierungsabhängige Empfindlichkeit der Datenträger-Dipolantenne Qualitativ gelten folgende Aussagen: –...
  • Seite 22 BIS U-Basishandbuch Eigenschaften der Komponenten und Systemverhalten 7.6 Theoretische Unter optimalen Bedingungen nimmt die elektrische Feldstärke im Fernfeld (näherungsweise Lesereichweite > 70 cm) reziprok zur Entfernung ab (Freiraumdämpfung). Durch Variation der Antennenleistung kann somit eine Kurvenschar erzeugt werden, die jedem Punkt im Raum eine eindeutige Feld- stärke zuweist.
  • Seite 23 BIS U-Basishandbuch Reflexion, Streuung und Adsorption von elektromagnetischen Wellen Elektromagnetische Wellen breiten sich nach der Ablösung von der Antenne annähernd mit Lichtgeschwindigkeit aus und treffen auf Objekte unterschiedlichster Beschaffenheit. Die Welle kann sowohl absorbiert als auch in unterschiedlicher Stärke in viele Richtungen reflektiert oder gestreut werden.
  • Seite 24 BIS U-Basishandbuch Reflexion, Streuung und Adsorption von elektromagnetischen Wellen 8.1 Änderung des Die Wechselwirkung mit den Strukturen der Umgebung, führen zu Änderungen der ursprünglich Polarisations- nahezu gleich großen Achskomponenten einer zirkular polarisierten Welle. achsenverhält- Dies führt dazu, dass je nach Höhe der Ansprechfeldstärke deutliche Unterschiede im Lesever- nisses halten bzw.
  • Seite 25 BIS U-Basishandbuch Reflexion, Streuung und Adsorption von elektromagnetischen Wellen 8.3 Dämpfung von Von den niederfrequenten RFID-Systemen ist bekannt, dass alle elektrisch nichtleitenden Materi- elektromagne- alien nahezu verlustfrei durchdrungen werden. Bei den UHF-Systemen ist das Verhalten bei der tischer Strahlung Durchdringung von Materie differenzierter zu behandeln.
  • Seite 26 BIS U-Basishandbuch Montageabstände für Antenne und Transponder 9.1 Antennen an Auch wenn die Antennen an einer Auswerteeinheit angeschlossen sind, sollten zur Vermeidung einer Auswertein- von unzulässigen Wechselwirkungen Mindestabstände für folgende Konfigurationen eingehalten heit werden: – Montage von zwei Antennen nebeneinander > 50 cm...
  • Seite 27 BIS U-Basishandbuch Betrieb von mehreren Auswerteeinheiten Aufgrund der großen Reichweite für die UHF-Felder ist es möglich, dass sich Auswerteeinheiten gegenseitig negativ beeinflussen können, wenn sie gleichzeitig betrieben werden und zufällig die selben Betriebsfrequenzen gewählt haben. 10.1 Frequenzsprung- Eine Möglichkeit der Störvermeidung ist, dass die Auswerteeinheiten in einer zufälligen Abfolge verfahren ihren Sendekanal (Frequencyhopping) wechseln.
  • Seite 28 BIS U-Basishandbuch Maßnahmen zur Verbesserung der Betriebsicherheit von UHF-Systemen In einer realen Umgebung wird die von der Antenne ausgessendete Primärwelle an großen Objekten wie Wänden, Fußböden, abgestellten Transportbehältern etc. reflektiert und erhält so als vagabundierende Sekundärwelle ein eigenständiges und unkontrollierbares Ausbreitungsver- halten.
  • Seite 29 BIS U-Basishandbuch Maßnahmen zur Verbesserung der Betriebsicherheit von UHF-Systemen 11.2 Verwendung von Jede Antenne erzeugt eine andere räumliche Feldverteilung, da für jede Antenne die Hindernisse mehreren Anten- einer Multi-Reflexions-Umgebung räumlich angeordnet sind. So ist zu erwarten, dass die lokale Feldstärke am Ort des Transponders seinen Wert ändern wird, sobald eine räumlich anders positionierte Antenne den Sendebetrieb aufnimmt.
  • Seite 30 Balluff GmbH Schurwaldstraße 9 73765 Neuhausen a.d.F. Deutschland Tel. +49 7158 173-0 Fax +49 7158 5010 balluff@balluff.de www.balluff.com...
  • Seite 31 BIS U Basic Manual Basic Information for Operating a UHF RFID System English...
  • Seite 32 www.balluff.com...
  • Seite 33 BIS U Basic Manual Introduction Safety Distances to the Antenna Basic Physical Information Physics of the Transmitting Antenna Physics of the Transponder Reference Antennas and Antenna Parameters Reference or Standard Antennas Antenna Gain Return Loss and Voltage Standing Wave Ratio...
  • Seite 34 BIS U Basic Manual Introduction This document describes the physical method of operation for the RF identification system BIS U and the specifications of individual components within the overall system. Furthermore, the propagation and characteristics of electromagnetic waves in the surrounding environment and interaction with general objects and building installations are explored in detail from a practical perspective.
  • Seite 35 BIS U Basic Manual Safety distances to the antenna When using the identification system BIS U, it is possible that people will remain within the wave range of the antennas briefly or for longer periods. In addition to product standards, which were designed to protect other radio services from...
  • Seite 36 BIS U Basic Manual Safety Distances to the Antenna The following measures can be taken to comply with the occupational safety regulation: – Organizational measures that require creating operating instructions containing relevant information to ensure safe operation and that draw attention to the possibility of exposure to electromagnetic fields.
  • Seite 37 BIS U Basic Manual Basic Physical Information The BIS U system belongs to the class of UHF identification systems. Data carriers with air interface protocol structured according to ISO 18000-6C or the EPCglobal Class 1 Generation 2 standard are supported.
  • Seite 38 BIS U Basic Manual Basic Physical Information 3.1 Physics of the The UHF antenna is an open oscillating circuit with electric fields that extend into the surrounding Transmitting environment. The simplest form of UHF antenna is an electric dipole. Antenna However, field displacement occurs in the vicinity of the antenna due to the high excitation frequency.
  • Seite 39 Due to their shape and size, the antennas on the data carriers are capable of reflecting as well as Transponder absorbing electromagnetic waves transmitted by the identification system BIS U. The passive transponder (data carrier) does not have its own power supply (e.g. battery) and must therefore draw the energy it needs to operate from the electromagnetic field.
  • Seite 40 BIS U Basic Manual Reference Antennas and Antenna Parameters Only passive antennas can be connected to the BIS U processor unit. The power of the antennas is defined by a generally binding parameter set of measurable properties, which include: –...
  • Seite 41 Wave Ratio processor unit. A poor VSWR value can cause interference or noise. A typical value < 1.2 to 1 is specified for the BIS U 302 antenna. www.balluff.com...
  • Seite 42 Attenuation in a backwards dispersion direction in relation to power radiated in the main dispersion direction is described as the front-to-back ratio (see figure 4). A typical value > 18 dB is specified for the BIS U 300 antenna.
  • Seite 43 All components must have the same real impedance to allow the transfer of power between the processor unit and the antenna. The BIS U system is designed for connecting system components (antenna and cable) with a wave resistance or impedance of Z = 50 Ω.
  • Seite 44 On real antennas, however, the deflection achieved along both spatial axes is never exactly the same. The polarization ellipse that develops is illustrated by the axial ratio of the two components. A typical value 1 dB is specified for the BIS U 302 antenna. (V axis) / (H axis) = 2 or 3 dB...
  • Seite 45 BIS U Basic Manual Antenna Cable Only coaxial antenna cables with a wave resistance or impedance of Z = 50 Ω may be used to prevent reflections and vertical waves (resonance) in the antenna line. Losses resulting from the transfer of electric power to the antenna are known as cable attenuation.
  • Seite 46 BIS U Basic Manual Calculating the Radiated Power The measurable value in the main dispersion direction always defines the radiated antenna power. Within the jurisdiction of the EU, limit values relating to the power radiated from antennas are calculated using what is known as Effective Radiated Power (ERP) based on a half-wave dipole.
  • Seite 47 TID - Fixed unique product and serial number 32 bits Access password 32 bits Kill password for destroying the transponder (not supported by BIS U) 7.2 Structure of the EPC codes were introduced to provide a migration path for the transition from barcodes to RFID EPC Code technology.
  • Seite 48 BIS U Basic Manual Component Properties and System Characteristics 7.3 Data Carrier Antenna designs are predominantly limited to shapes that are very similar to a dipole because Antenna Shapes the power is drawn exclusively from the electric field in the far field. Data carriers that incorporate slot, patch or microstrip resonator antennas are exceptions to the rule because they can be mounted directly onto metal surfaces.
  • Seite 49 BIS U Basic Manual Component Properties and System Characteristics 7.4 Directional The data carrier is sensitive to orientation because of the dipole antenna principle. Characteristics of Antenna the Data Carrier Dipole Antenna φ 0° position represents the α flat position on the x-y plane.
  • Seite 50 BIS U Basic Manual Component Properties and System Characteristics 7.6 Theoretical Under ideal conditions, the electric field intensity in the far field (approximately > 70 cm) Reading Range decreases reciprocally in relation to the distance (free space loss). Varying the antenna power generates an array of curves that allocates a unique field intensity to every point within the surrounding environment.
  • Seite 51 BIS U Basic Manual Reflection, Dispersion and Adsorption of Electromagnetic Waves Electromagnetic waves radiated from the antenna propagate at nearly the speed of light and meet objects with different consistencies. The wave can be absorbed and reflected or scattered in all directions at different intensities.
  • Seite 52 BIS U Basic Manual Reflection, Dispersion and Adsorption of Electromagnetic Waves 8.1 Changes in the Interaction with structures in the surrounding area changes the axis components of a circular Polarizing Axis polarized wave, which are originally almost identical in size.
  • Seite 53 BIS U Basic Manual Reflection, Dispersion and Adsorption of Electromagnetic Waves 8.3 Attenuation of It is well-known from low-frequency RFID systems that waves permeate all electrically non- Electromagnetic conductive materials virtually without loss. On UHF systems, a different approach must be Radiation adopted when assessing the behavior of waves penetrating materials.
  • Seite 54 BIS U Basic Manual Antenna and Transponder Mounting Distances 9.1 Antennas on a Even if the antennas are connected to a processor unit, the minimum distances for the following Processor Unit configurations should be respected to prevent unwanted interaction: –...
  • Seite 55 BIS U Basic Manual Operating Several Processor Units Due to the large range available for UHF fields, it is possible that processor units will have a negative influence on one another if they are operated simultaneously and randomly select the same operating frequency.
  • Seite 56 BIS U Basic Manual Measures for Improving the Operational Reliability of UHF Systems In a real environment, the primary wave emitted by the antenna reflects against large objects such as walls, floors, deposited transport containers etc. and causes independent, uncontrollable propagation in the form of a stray secondary wave.
  • Seite 57 BIS U Basic Manual Measures for Improving the Operational Reliability of UHF Systems 11.2 Using Several Each antenna generates a different spatial field distribution pattern because the obstacles in a Antennas multi-reflective environment are positioned differently for each antenna. It can therefore be expected that the value for the local field intensity at the transponder position will change as soon as an antenna in a different spatial position starts transmitting.
  • Seite 58 Balluff GmbH Schurwaldstrasse 9 73765 Neuhausen a.d.F. Germany Phone +49 7158 173-0 Fax +49 7158 5010 balluff@balluff.de www.balluff.com...
  • Seite 59 BIS U 基本手册 操作 UHF RFID 系统的基本信息 中文...
  • Seite 60 www.balluff.com...
  • Seite 61 BIS U 基本手册 简介 到天线的安全距离 基本物理信息 发射天线的物理原理 应答器的物理原理 参考天线和天线参数 参考或标准天线 天线增益 回波损耗和电压驻波比 散射角 反射比 阻抗 极化 轴比 额定功率 天线电缆 计算辐射功率 组件属性和系统特性 数据载体的存储拓扑 EPC 代码的结构 数据载体天线形状 数据载体偶极子天线的方向特性 数据载体的响应性 - 响应场强度 理论读取范围 电磁波的反射、散射和吸收 极化轴比的变化 不同环境条件的影响 电磁辐射的衰减 天线和应答器安装距离 处理单元的天线 与周围结构物的距离 安装应答器 操作多个处理单元 10.1 跳频法...
  • Seite 62 BIS U 基本手册 简介 本文档介绍了 RF 识别系统 BIS U 的物理工作方式以及整个系统中各个组件的规格。 此外，还从实用角度详细探讨了电磁波在周围环境中的传播和特性以及与一般物体和建筑设施 的相互作用。 单独的章节介绍了不同天线配置适用的天线安全距离，如果人员暂时或长时间停留在天线的波 长范围内，则必须维持这些安全距离。 本文档中指定的性能特征（例如工作频率和辐射功率）是示例性的，参考了欧共体的有效法律 规定。...
  • Seite 63 BIS U 基本手册 到天线的安全距离 使用识别系统 BIS U 时，人员可能会短暂或长时间停留在天线的波长范围内。 除了旨在保护其他射频应用免受 RFID 系统干扰或负面影响的产品标准外，国际放射防护委员会 (ICRP) 还制定了一组射频场限值，以避免射频场对人体组织造成损害。这些被称为基本值，用 以 J/kg 为单位的比吸收 (SA 或以 W/kg 为单位的比吸收率 (SAR) 来表示，说明了对人体组织的 直接或间接影响。 在实际应用中采用可以用更简单的方法测量或计算的派生值。这些值规定合理，因此即使在最 不利的暴露条件下也不会超过基本值。 对于主散射方向上辐射功率为 2 W 的传统远距离天线，如果距离大于 24 cm，通常会超过该 下限值。4  W 的安全距离为 30  cm。 EIRP 发射功率较低时，安全距离相应减小。 这项职业安全规定的结论是，人体距离天线的距离不应长时间小于 24 cm 或 30 cm。...
  • Seite 64 BIS U 基本手册 到天线的安全距离 为了遵守职业安全规定，可以采取以下措施： – 要求编制包含相关信息的操作说明以确保安全操作并提请注意暴露于电磁场的可能性的组织 措施。 – 通过安装防护设备或设立警戒线来隔离天线，以确保操作过程中人员不能太靠近天线。 在执行任务之前和之后，应始终以适当的时间间隔进行检查。 根据目前已知的情况，在天线附近短暂停留不会构成健康风险。操作过程中的某些情况下，如 果有起搏器佩戴者在天线的范围内，读卡器和天线可能会干扰起搏器。如有疑问，相关人员应 联系起搏器制造商或其医生。 下图以欧盟指令为例，给出了天线附近的场强曲线和电场强度限值。 暴露范围 1 BGR B11 采用欧盟指令 2004-40。 暴露范围 2 BGR B11 26。 BlmSchV 采用欧盟指令 1999-519。 场强曲线 到天线的距离 (cm) 图 1：天线附近的电场为 2 W 。同时考虑了环形极化天线的两个分量...
  • Seite 65 BIS U 基本手册 基本物理信息 BIS U 系统属于 UHF 识别系统类。 支持采用根据 ISO 18000-6C 或 EPCglobal 第 1 类第 2 代标准构建的空中接口协议的数据载 体。 有关 UHF 识别系统性能特征的详细信息，如工作频率和辐射功率，请参见相应的产品手册。 该系统采用的 UHF 技术可以实现几米的通信距离，即使对于无源应答器（即没有单独的电源） 也是如此。 www.balluff.com...
  • Seite 66 BIS U 基本手册 基本物理信息 3.1 发射天线的物理 UHF 天线是一种开路振荡电路，其电场延伸至周围环境。UHF 最简单的形式是电偶极子。 原理 然而，由于高激励频率，天线附近会发生电场位移。存储在场中的能量以接近光速的速度远离 天线。 图 2：位移过程示意图 随着能量远离天线，能量在不断扩大的区域上传播，结果，场强随着距离的增加而减小。 这种衰减过程也称为“自由空间损耗”。...
  • Seite 67 BIS U 基本手册 基本物理信息 3.2 应答器的物理原理 由于其形状和尺寸，数据载体上的天线能够反射和吸收由识别系统 BIS U 发射的电磁波。 无源应答器（数据载体）没有自己的电源（例如电池），因此必须从电磁场中获取运行所需的 能量。天线接口上存在的一部分 RF 电压被转换，用来为 IC 供电。 然而，大部分散射功率被反射。偶极子天线反射特性的时间控制变化产生幅度（强度）被调制 的反向散射电磁波。电磁波由处理单元上的天线检测，然后进行解调。 识别系统部件之间的这种类型的信息交换称为电磁反向散射。 处理单元 发射/接收天线 数据载体 偶极子天线应答器 发射波 定向耦合器 发射器/接收器 反射波 负载电阻 自由空间波 Z 图 3：反向散射示意图 www.balluff.com...
  • Seite 68 BIS U 基本手册 参考天线和天线参数 只有无源天线才能连接到 BIS U 处理单元。天线的功率由一组具有普适性的可测量参数集来定 义，包括： – 天线增益 – 回波损耗/VSWR – 散射角 – 反射比 – 阻抗 – 极化 – 轴比 – 额定功率 4.1 参考或标准天线 利用参考天线或标准天线实现了不同天线的可比性和天线辐射功率的定量评估。 以下天线仅供参考： 各向同性辐射器 各向同性辐射器是一种假定没有损耗的天线，可将辐射均匀地 分散到各个方向。它产生的功率密度与距离 r 处的角度无关。 最大场强与偶极子水平面垂直。产生一个 8 字形的功率密度。 半波偶极子（λ/2 偶极子） 如果向两个天线提供相同的射频功率，则在主散射方向上，半波偶极子比各向同性辐射器具有...
  • Seite 69 参考天线和天线参数 4.2 天线增益 实际天线会束缚辐射，从而在一个方向（主散射方向）产生最大的辐射功率密度。 必须使用天线增益来使具有不同设计或方向特性的天线具有可比性，并规定一个维度，用来说 明优先散射方向的天线辐射功率密度。天线增益表示在主散射方向上辐射的功率高于参考天线 的系数。 它是表示实际天线相对于各向同性辐射器的增益的标准。 G[dBi] 基于各向同性辐射器的线性增益 G[dBic] 基于各向同性辐射器的环型增益 图 4 显示的是半波偶极子的辐射也被束缚。基于各向同性辐射器的天线增益为： G[dBi] = 2.15 dBi 半波偶极子 4.3 回波损耗和电压驻 电压驻波比 (VSWR) 和回波损耗 (RL) 表示通过电缆流向天线的能量中有多少被反射到处理单元 上的接收天线输入端。较差的 VSWR 值会导致干扰或噪声。 波比 BIS U 302 天线的典型值 < 1.2 到 1。 www.balluff.com...
  • Seite 70 在适用的产品标准 EN 302 308（V1.1.2 2006-07 版）中，天线的允许辐射功率与天线散射角相 关，如下所示： – ≤ 70 度 辐射功率高达 2 W 散射角 – > 70 度 辐射功率高达 0.5 W 散射角 3 dB 散射角 反射比 图 5：实际天线的辐射图 - 水平截面 规定了两个散射角以提供完整的描述：垂直散射角（仰角）和水平散射角（方位角）。 4.5 反射比 电磁波也通过定向天线（不仅在主散射方向上，而且在其他空间方向上，特别是向后空间方向 上）进行辐射。应尽可能有效地抑制这些副波，以让射频场正确对准选定的数据载体。 与主散射方向辐射功率相关的后向散射方向的衰减用反射比来描述（见图 4）。 BIS U 300 天线的典型值 > 18 dB。...
  • Seite 71 BIS U 基本手册 参考天线和天线参数 4.6 阻抗 所有组件必须具有相同的实际阻抗，以便在处理单元和天线之间进行功率传输。 根据其设计，BIS U 系统可用于连接波阻或阻抗 Z = 50 Ω 的系统组件（天线和电缆）。 阻抗的偏差会导致失调，从而导致反射或驻波。这些偏差会显著降低整个系统的性能。 4.7 极化 电磁波进入周围环境的场矢量具有方向性。场矢量或振动方向的校准被称为波极化。 分为线形极化和环形极化两种，而具有后一种特性的天线更为重要。这是因为无论空间方向如 何，环形极化的场强值都是相同的。 由于设计原因，大多数 UHF 数据载体的接收特性与偶极子天线的接收特性相似。使用环形极化 的发射天线确保数据载体在任何位置都能正常工作。 图 6：环形极化波 对于环形极化，逆时针旋转方向的环形极化和顺时针旋转方向的环形极化之间另有区别。这种 特性在大多数应用中并不重要，因为应答器通常具有线形极化天线特性。 www.balluff.com...
  • Seite 72 BIS U 基本手册 参考天线和天线参数 4.8 轴比 然而，实际天线上，沿着两个空间轴实现的偏转从来不是完全相同的。通过两个分量的轴比可 以说明形成的极化椭圆。BIS U 302 天线的典型值为 1 dB。 (V 轴) / (H 轴) = 2 或 3 dB (V 轴) / (H 轴) = 1 或 0 dB 纵轴 （V 轴） 横轴 （H 轴） 图 7：环形极化天线的轴比...
  • Seite 73 BIS U 基本手册 天线电缆 只能使用波阻或阻抗 Z = 50 Ω 的同轴天线电缆来防止天线线路中的反射和垂直波（共振）。 由电力传输到天线造成的损耗称为电缆衰减。 电缆衰减程度完全取决于根据电缆直径、电缆配置和频率响应选择的电缆长度。一般来说，电 缆制造商规定了电缆衰减，单位为每米 dB (dB/m)。 www.balluff.com...
  • Seite 74 BIS U 基本手册 计算辐射功率 无论何时，主散射方向上的可测量值决定了天线辐射功率。在欧盟管辖范围内，与天线辐射功 率相关的限值是使用基于半波偶极子的所谓有效辐射功率 (ERP) 计算的。 因此，ERP 值说明的是由 P 供电的偶极子天线在优先方向上辐射的有效功率。根据以下公式计 算基于各向同性辐射器定义的增益天线的 ERP 值： ERP = P – 2.15 dBi [dBm] 天线电源 其中 [dBi] 基于各向同性辐射器的天线增益 2.15 dBi 基于各向同性辐射器的偶极子增益 与各向同性辐射器相关的有效辐射功率（有效各向同性辐射功率或 EIRP）是表示辐射功率的另 一种方式。以 EIRP 值形式表示辐射功率在美国和其他国家很常见。 计算天线辐射功率的公式是对数公式，功率数据标准化为 1 mW，因为加法更简单。因此，所 有所需的天线和功率参数都可以用分贝为单位来规定，彼此简单相加。 计算天线辐射功率需要或使用以下参数： [dBm] 以...
  • Seite 75 BIS U 基本手册 组件属性和系统特性 为了使系统组件的选择更容易，并确保它们正确执行应用中的相关任务，本节讨论了 UHF 组件 的一些基本属性和特性。 7.1 数据载体的存储拓 “典型”UHF 数据载体的存储器划分如下： 扑 96 位 EPC 读/写存储区（可以扩展到其他大小，例如 448  位）。 512 位 可自由访问的读/写存储区，适用于客户特定的应用。 32 位 + 64 位 TID - 固定的唯一产品和序列号 32 位 访问密码 32 位 销毁应答器的灭活密码（BIS U 不支持） 7.2 EPC 代码的结构 引入 EPC 代码，为从条形码技术向 RFID 技术过渡提供了一条迁移路径。96 位 EPC 代码的数据...
  • Seite 76 BIS U 基本手册 组件属性和系统特性 7.3 数据载体天线形状 绝大部分情况下天线设计仅限于类似偶极子的形状，因为功率只从远场中的电场汲取。包含 槽、贴片或微带谐振器天线的数据载体属于例外，因为它们可以直接安装在金属表面上。本文 档不详细探讨这些数据载体。 采用类似于偶极子的天线的数据载体有多种形状和尺寸可供选择，例如： 资料来源：美国意联科技 资料来源：UPM Raflatac 资料来源：美国意联科技 图 9：不同天线设计的数据载体 使用带有附加辐射元件（陷波偶极子）的射频环形天线可以减小总尺寸，并使数据载体适合在 近场使用。...
  • Seite 77 BIS U 基本手册 组件属性和系统特性 7.4 数据载体偶极子天 由于偶极子天线原理，数据载体对方向敏感。 线的方向特性 Antenna φ 0° 位置表示 x-y 平面上的 α 平放位置。 图 10：数据载体偶极子天线的方向灵敏度 以下定性陈述适用： – 如果使用环形极化发射天线，天线绕 z 轴旋转时，未发现方向灵敏度降低。 – 当天线绕 x 轴旋转时，在 90° 和 270° 的旋转角度观察到灵敏度降低。 – 当天线绕 y 轴旋转时，在 90° 和 270° 的旋转角度时不具备读取能力。 7.5 数据载体的响应...
  • Seite 78 BIS U 基本手册 组件属性和系统特性 7.6 理论读取范围 在理想条件下，远场（约 > 70 cm）中的电场强度与距离（自由空间损耗）成反比减小。改变 天线功率可生成曲线阵列，向周围环境中的每个点分配唯一场强。 通过将响应场强与相关场强曲线相交，可以确定天线辐射的不同功率级别的理论读数范围。在 理想的边界条件下，在自由场或大吸收室中计算这种类型的读取范围值。 天线功率 (W) 0.25 应答器 I 260 cm 190 cm 90 cm 应答器 II 820 cm 560 cm 280 cm 表 2：理论读数范围随天线功率而变化 8,00 2.0 W 7,00 6,00 0.5 W...
  • Seite 79 BIS U 基本手册 电磁波的反射、散射和吸收 天线辐射的电磁波以接近光速的速度传播，遇到各不相同的物体。波可以以不同的强度在各个 方向被吸收、反射或散射。 除了材料的一致性（可能类似于金属或极性液体）外，障碍物的大小对反向散射特性有决定性 影响： 瑞利范围 如果反射的长度远小于波长，则可以忽略不计。 共振范围 物体的尺寸大小与波长相当。观察到来自尖锐物体、狭缝和点的共振吸收和 辐射，可能会导致极化方向发生变化或导致电场放大或抵消。 光学范围 与波长相比，物体尺寸较大。物体的几何形状和位置（波的入射角）对反向 散射结果有影响。可以近似等效地使用从几何光学领域获得的经验。 当主波与周围实际区域金属结构上的反射、散射或衍射产生的杂散分波重叠时，会导致电场强 度的局部放大或减小。如果场强降低到低于数据载体的响应场强值，则处理单元和数据载体之 间的通信中断。然而，如果周围区域中天线前方更远点处的相互作用导致场强增加，则数据载 体和处理单元之间的通信保持稳定。因此，电场放大会导致超折射。 为此，无法为由数据载体和天线/处理单元组成的特定 UHF 识别系统规定适用于所有应用或边 界条件的读取范围。 8,00 7,00 根据理论自由空间损耗 确定的预期场强曲线 6,00 测得的场强曲线 5,00 4,00 3,00 数据载体响应场强 2,00 1,00 无通信区域 0,00 到天线的距离 (cm) 图...
  • Seite 80 BIS U 基本手册 电磁波的反射、散射和吸收 8.1 极化轴比的变化 与周围结构的相互作用改变了环形极化波的轴分量，而环形极化波最初的大小几乎相同。 这些变化会导致读取性能或读取范围的显著差异，具体取决于响应场强度以及数据载体是以垂 直位置安装还是以水平位置安装。 垂向分量 水平分量 到天线的距离 (cm) 图 13：极化分量轴比的变化 8.2 不同环境条件的影 障碍物在周围环境中的位置、材料和几何形状可能因应用而异，因此预计会对电场分布的表征 产生直接影响。在图 14 中，对比了利用环形极化天线在主传播方向上三个不同空间的电场强度 响 曲线的垂直分量。 8,00 自由空间损耗 - 垂向分量 7,00 ______ 空间 I 6,00 ______ 空间 II ______ 5,00 空间 III 4,00...
  • Seite 81 BIS U 基本手册 电磁波的反射、散射和吸收 8.3 电磁辐射的衰减 众所周知，在低频 RFID 系统中，波几乎毫无损耗地穿透所有非导电材料。在 UHF 系统中，在 评估波穿透材料的性能时，必须采用不同的方法。 – 例如，由极性分子组成并含有水或碳物质的固体或液体，会出现高度的 RF 衰减，显著削弱 天线发出的辐射。这一信息证实，人体等物体是电磁波传播不可逾越的障碍。 – 另一方面，矿物油只能在极其有限的程度上削弱电磁波，因为它们由非极性分子组成。因 此，例如，SmartLabel 可以直接贴在塑料矿物油容器上。 UHF 波不能穿透金属表面或由金属棒或金属网组成的网格结构。此类还包括金属钢筋混凝 土墙。 – 几乎可以无损失地穿透塑料、纸张和木材等不导电的干燥材料。 www.balluff.com...
  • Seite 82 BIS U 基本手册 天线和应答器安装距离 9.1 处理单元的天线 即使天线连接到处理单元，也应遵守以下配置的最小距离，以防止不必要的相互作用： – > 50 cm 两个天线并列安装，相距 – > 50 cm 两个天线背靠背安装，相距 9.2 与周围结构物的 必须保持与金属部件或极性液体至少相距 50 cm，以防止天线失谐并避免来自强电磁场的反向 距离 散射。 9.3 安装应答器 将数据载体直接安装到金属表面可以大大缩短读取范围。距离金属表面至少 15 mm 的距离可以 显著提高读取性能，具体取决于天线设计。 为防止数据载体失谐，两个数据载体之间的最小距离不应小于 50 mm。...
  • Seite 83 BIS U 基本手册 操作多个处理单元 由于 UHF 场的可用范围很大，如果处理单元同时运行并随机选择相同的工作频率，则它们可能 会对彼此产生负面影响。 10.1 跳频法 避免干扰的一种方法是将处理单元配置为以随机序列（跳频）切换到不同的发射通道。 多个读卡器同时在同一通道上传输的概率随着允许频带内可用通道的数量而降低。 通道的数量可能因不同国家的规定而异。 10.2 载波侦听 另一种避免干扰的方法是一种基于竞争的协议，称为“载波侦听”操作程序。在一些国家，如 欧共体国家，只有 10 个通道可用。由于在这种情况下，多个读卡器在同一通道上传输的概率相 当高，因此在传输之前要检查通道的可用性。 处理单元只有在所选通道可用时才开始传输（载波侦听），以防止重叠或冲突。为保证传输通 道的动态使用，传输时间不得超过 4 秒。处理单元必须等待 100 ms 或直接切换到一个新的未 使用的通道。 ETSI 标准 EN 302 208 (V1.2.1) 修订后，这种减少相互干扰的程序不再是强制性的。最好采用 10.3 节中提到的程序。 10.3 创建传输方案 将通道间隔 (ETSI 302 208 V1.2.1) 增加到 600 kHz 已经消除了在所有可用的外置式射频设备的...
  • Seite 84 BIS U 基本手册 提高 UHF 系统运行可靠性的措施 在实际环境中，天线发射的主波会反射到墙壁、地板、存放的运输容器等大型物体上，并以杂 散二次波的形式独立、不可控地传播。 在最坏的情况下，主波和次波之间的干扰会引起场衰减。在多反射环境中，几乎不可能预测特 定位置的场强。还应注意，例如移动的运输设备引起的周围区域的变化可能导致场强随时间而 变化。 11.1 场强预留量和工 在读取操作期间，局部或暂时降低场强与故意降低发射功率具有相同的效果。如果随后天线的 作距离 发射功率降低到勉强能够检测到数据载体的临界点，则多反射环境中的场强降低之后通信中 断。 图 12、13 和 14 清楚地表明波动随着到发射天线的距离而增加。为了保证多反射环境下的电场 不低于数据载体的激励场强，即使在场强波动的情况下，也必须考虑波动幅度范围内的场强预 留量。这导致了响应场强度在计算上的增量，决定了与功率曲线交点处的所谓工作距离。 8,00 7,00 6,00 700 cm 理论读取范围 350 cm 工作距离 6 dB 场强预留量 5,00 4,00 0.5 W...
  • Seite 85 BIS U 基本手册 提高 UHF 系统运行可靠性的措施 11.2 使用多个天线 由于多反射环境中的障碍物位置不同，每个天线产生不同的空间场分布模式。 因此可以预见，一旦处于不同空间位置的天线开始发射，应答器所处位置的局部场强值将发生 变化。 天线 3 天线 2 天线 4 天线 1 图 16：多根天线的布局 在这种天线配置中也可以检测到随机定位的数据载体。这些天线配置可用于以下场景： 进/出货 装有货物的托盘从仓库、贸易公司或工业企业的门穿过。在相应的固 定天线配置（台架、门）中，可以自动检测贴在托盘甚至货物上的单 个 UHF 数据载体。扫描的数据可能包含有关产品来源和性质的信息。 公司内部物流 在工业公司内的选定点安装带有天线的门架。装有数据载体的容器在 通过门架时会被检测到。通过对扫描数据的分析，可以得到产品在整 个生产流程中的总流程图。 非定向数据载体 例如，由于数据一致性问题和涉及的成本，在旋转对称货物或容器上 粘贴多个数据载体是不可行的。在没有特定对准方法的情况下，可靠 检测数据载体的唯一方式是采用从不同角度位置对准未识别产品的天 线。 www.balluff.com...
  • Seite 86 巴鲁夫自动化（上海）有限公司 上海市浦东新区成山路 800 号 云顶国际商业广场 A 座 8 层 热线电话：400 820 0016 传真：400 920 2622 邮箱：sales.sh@balluff.com.cn www.balluff.com...
  • Seite 88 Americas Service Center Asia Pacific Service Center Poland Greater China Balluff Sp. z o.o. Balluff Inc. Balluff Automation (Shanghai) Co., Ltd. Ul. Graniczna 21A 8125 Holton Drive No. 800 Chengshan Rd, 8F, Building A, 54-516 Wrocław Florence, KY 41042 Yunding International Commercial Plaza...