问题39：如何理解RFID基本工作原理中“近场”与“远场”的概念？
RFID利用无线射频信号交变电磁场的空间耦合方式自动传输标签信息。理解RFID基本工作原理，以及“近场”与“远场”的概念时，需要注意以下几个问题。
1.电磁波与电磁波谱
1864年，麦克斯韦从大量的实验与理论中，推导出描述电磁场的麦克斯韦方程。麦克斯韦方程奠定了电磁场理论的基础。1887年，德国物理学家赫兹利用实验方法产生了电磁波，证明了麦克斯韦的预言，为无线通信技术的发展指明了方向。
描述电磁波的参数有三个：波长λ、频率f与速度C。它们三者之间的关系为：λ×f=C，其中，电磁波在自由空间以光速C的速度传播，光速C的数值等于3×108 m/s；频率f的单位为赫兹（Hz）。
电磁波的传播有两种方式：一种是在自由空间以无线方式传播，另一种是在有限制的空间内以有线方式传播。使用双绞线、同轴电缆、光纤传输电磁波的方式属有线方式。图3-9给出了电磁波谱与通信类型的关系。从图中所示的电磁波谱中可以看出，按照频率由低向高排列，不同频率的电磁波可以分为无线、微波、红外、可见光、紫外线、X射线与γ射线。目前，用于通信的主要有无线、微波、红外与可见光。图中给出了国际电信联盟（ITU）根据不同的频率（或波长）对不同的波段进行划分与命名的情况。表3-1给出了无线电频段与频率范围的对应关系。
图3-9 电磁波谱与通信类型的关系
表3-1 无线电频段与频率范围
2.电磁场与电磁感应
法拉第电磁感应定律指出：交变的电场产生交变的磁场，交变的磁场又能产生交变的电场。图3-10给出RFID标签的天线感应线圈在交变电磁场中产生感应电流的示意图。实验指出：当闭合导线通过磁场时，与导线连接的电流计就会显示出感应电流。产生感应电流的条件有三个：电路是闭合的，穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路的一部分在磁场中做切割磁力线运动。这三个条件缺一不可。
图3-10 交变电磁场与感应电流
3.电磁场、近场效应与无线传播
需要注意的是，在电磁感应中存在着近场效应。当导体与电磁场的辐射源的距离在一个波长之内时，导体会受到近场电磁感应的作用。在近场范围内，导体由于电磁耦合的作用，电流沿着磁场方向流动，电磁场辐射源的近场能量被转移到导体。如果辐射源的频率为915MHz，那么对应的波长大约为33厘米。
当导体与辐射源的距离大于一个波长时，近场效应失效。在一个波长之外的自由空间中，无线电波向外传播，能量的衰减与距离的平方成反比。
RFID标签工作原理如图3-11所示。由于无源RFID标签与有源RFID标签的工作方式不同，因此RFID标签工作原理应该分为三种情况来讨论。
4. RFID标签工作原理
（1）被动式RFID标签的工作原理
被动式RFID标签也叫做“无源RFID标签”。无源标签的工作原理如图3-11a所示。对于无源RFID标签，当RFID标签接近读写器时，标签处于读写器天线辐射形成的近场范围内。RFID标签天线通过电磁感应产生感应电流，感应电流驱动RFID芯片电路。芯片电路通过RFID标签天线将存储在标签中的标识信息发送给读写器，读写器天线再将接收到的标识信息发送给主机。无源标签工作过程就是读写器向标签传递能量，标签向读写器发送标签信息的过程。读写器与标签之间能够双向通信的距离称为“可读范围”或“作用范围”。
（2）主动式RFID标签的工作原理
主动式RFID标签也叫做“有源RFID标签”，有源标签的工作原理如图3-11b所示。处于远场的有源RFID标签由内部配置的电池供电。从节约能源、延长标签工作寿命的角度，有源RFID标签可以不主动发送信息。当有源标签接收到读写器发送的读写指令时，标签才向读写器发送存储的标识信息。有源标签工作过程就是读写器向标签发送读写指令，标签向读写器发送标识信息的过程。
（3）半主动RFID标签的工作原理
无源RFID标签体积小、重量轻、价格低、使用寿命长，但是读写距离短、存储数据较少，工作过程中容易受到周围电磁场的干扰，一般用于商场货物、身份识别卡等运行环境较好的应用。有源RFID标签需要内置电池，标签的读写距离较远、存储数据较多、受周围电磁场的干扰相对较小，但是标签的体积比较大、比较重、价格较高、维护成本较高，一般用于高价值物品的跟踪上。在比较两种基本RFID标签优缺点的基础上，人们自然想到能否将两者的优点结合起来，设计一种半主动式RFID标签。
图3-11 RFID标签工作原理示意图
半主动式RFID标签继承了无源标签体积小、重量轻、价格低、使用寿命长的优点，内置的电池在没有读写器访问的时候，只为芯片内很少的电路提供电源。只有在读写器访问时，内置电池向RFID芯片供电，以增加标签的读写距离较远，提高通信的可靠性。半主动式RFID标签一般用在可重复使用的集装箱和物品的跟踪上。