Key Takeaways
- 电磁波传播与链路预算
- 反向散射调制原理
- 标签芯片架构
01电磁波传播与链路预算
UHF RFID 工作在 860-960 MHz 频段，对应波长约 0.31-0.35 m。读写器天线辐射的电磁波遵循 Friis 自由空间路径损耗方程：PL = (4πd/λ)²。在 1 米距离、915 MHz 下，路径损耗约 31.7 dB；到 6 米则升至 47.3 dB。理解这一方程是优化读取距离的起点——每翻倍距离，损耗增加 6 dB，等效于可读标签所需的反向散射信号衰减四倍。
实际环境中还需叠加多径效应、极化失配、天线增益与馈线损耗。典型固定式读写器发射功率 30 dBm（1 W），天线增益 6 dBi，标签灵敏度 -18 dBm。链路预算正向上可达到约 7-10 米；反向链路由于标签反射效率仅约 -10 至 -15 dB，往往成为瓶颈。这就是为什么标签天线设计与芯片灵敏度是 UHF 系统性能的决定性因素。
- Friis 方程：PL(dB) = 20log₁₀(4πd/λ)
- 915 MHz 自由空间 1 m 损耗 ≈ 31.7 dB
- 每翻倍距离 +6 dB 损耗
- 标签反射效率仅 -10 至 -15 dB，反向链路为瓶颈
02反向散射调制原理
无源 UHF 标签没有本地振荡器，它通过改变天线端的阻抗来“反射”或“吸收”读写器发射的载波，这种机制称为反向散射调制（Backscatter Modulation）。芯片通过切换两种阻抗状态（通常为匹配与失配）产生幅移键控（ASK）。阻抗切换的速率决定了标签回传数据的副载波频率，Gen2 协议下典型为 40-640 kHz。
Gen2 协议定义了 FM0、Miller-2/4/8 四种编码方式。FM0 速率最快但抗噪性弱；Miller 编码通过周期切换提升抗多径能力，但牺牲速率。在金属密集的仓储环境中，Miller-4 通常是速率与可靠性的最佳折衷。读写器通过下发 Query 帧中的 TRext、DR、M 参数动态切换编码方案，这是 Gen2 链路自适应的核心机制。
- 无源标签无本地振荡器，靠切换阻抗反向散射
- ASK 调制：匹配/失配两种阻抗状态
- Gen2 编码：FM0、Miller-2/4/8 可选
- 金属密集环境优选 Miller-4
03标签芯片架构
UHF 标签芯片由四部分组成：射频前端（整流器、限幅器、解调器）、数字基带（状态机、CRC、PRNG）、存储器（EPC/TID/User/Reserved 四个 bank）、以及电源管理（电荷泵、稳压器）。整流器将接收到的 -10 至 +10 dBm 射频功率转换为约 1.2 V 直流电，驱动数字电路工作。先进芯片如 Impinj M740 在 -23 dBm 仍可工作，比上一代灵敏度提升约 5 dB。
- 整流器：射频功率 → 1.2 V 直流，转换效率约 30-40%
- PRNG：16 位伪随机数生成器，用于防碰撞时隙分配
- 四个存储 Bank：EPC(96-496b)、TID(48-128b)、User(0-512b)、Reserved(64b)
- Impinj M740 灵敏度 -23 dBm，较上代提升约 5 dB
04防碰撞算法与 Q 算法
UHF RFID 采用基于时隙 ALOHA 的防碰撞机制。读写器下发 Query 帧携带 Q 参数（0-15），标签用 PRNG 在 2^Q 个时隙中随机选一个应答。若发生碰撞，读写器根据碰撞率动态调整 Q：碰撞多则增大 Q（扩大时隙数），空闲多则减小 Q（提升吞吐）。这一自适应过程称为 Q-algorithm，是 Gen2 高密度读取的核心。
实测中，一台 4 天线固定式读写器在 Q=4 时每秒可读取 500-700 个唯一标签，Q=6 时可达 1000+ 但延迟增加。SpidersRFID 中间件会根据场景自动调整初始 Q：零售盘点 Q=4，物流隧道 Q=5，密集仓储 Q=6。理解 Q 算法的工作机制，是诊断“读取率不达标”问题的关键——错误的 Q 设置会导致吞吐骤降 50% 以上。
- 时隙 ALOHA：标签在 2^Q 个时隙中随机选择应答
- Q=4 时 500-700 tags/s；Q=6 时 1000+ tags/s
- 零售盘点 Q=4，物流隧道 Q=5，密集仓储 Q=6
- 错误 Q 设置可导致吞吐下降 50% 以上
