基于RFID的標簽天線設計

現代社會產品越來越豐富，數據管理需求也越來越高，人們需要將多種多樣處于生產、銷售、流通過程中的物品進行標識、管理和定位。采用傳統(tǒng)的條形碼進行物品標識將會帶來一系列的不便：無法進行較遠距離的識別，需要人工干預、許多物品無法標識等等。相反，由于射頻識別fRFID1系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進行識別，所以可以進行較遠距離的識別，無須人工干預，可以標識多種多樣的物品。

　　射頻識別技術是一種非接觸的自動識別技術。它是由電子標簽（Tag／Transponder）、讀寫器（Reader／Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無線通信系統(tǒng)。射頻識別中的標簽是射頻識別標簽芯片和標簽天線的結合體。標簽根據其工作模式不同而分為主動標簽和被動標簽。主動標簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動標簽則采用感應耦合或反向散射工作模式，即通過標簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調節(jié)射頻識別標簽芯片與標簽天線的匹配程度，將儲存在標簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此．射頻識別標簽天線的阻抗必須與標簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標簽天線設計時還必須考慮電子標簽所應用的場合，如應用在金屬物體表面的標簽天線和應用在普通物體表面的標簽天線在天線的結構和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關鍵技術之一。

　　射頻識別系統(tǒng)與天線分類

　　對于采用被動式標簽的射頻識別系統(tǒng)而言，根據工作頻段的不同具有兩種工作模式。一種是感應耦合（Induc．tiveCoupling）T作模式，這種模式也稱為近場工作模式，它主要適用用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)：另一種則是反向散射（Backscattering）32作模式，這種模式也稱為遠場T作模式，主要適用于超高頻和微波RFID系統(tǒng)。

　　感應耦合模式主要是指讀寫器天線和標簽天線都采用線圈形式。當讀寫器在閱讀標簽時，發(fā)出未經調制的信號．處于讀寫器天線近場的電子標簽天線接收到該信號并激活標簽芯片之后，由標簽芯片根據內部存儲的全球唯一的識別號（ID）控制標簽天線中的電流大小。這個電流的大小進一步增強或者減小閱讀器天線發(fā)出的磁場。這時，讀寫器的近場分量展現出被調制的特性，讀寫器內部電路檢鋇0到這個由于標簽而產生的調制量并解調并得到標簽信息。

　　在反向散射T作模式中，讀寫器和電子標簽之間采用電磁波來進行信息的傳輸。當讀寫器對標簽進行閱讀識別時，首先發(fā)出未經調制的電磁波，此時位于遠場的電子標簽天線接收到電磁波信號并在天線上產生感應電壓，電子標簽內部電路將這個感應電壓進行整流并放大用于激活標簽芯片。當標簽芯片激活之后，用自身的全球唯一標識號對標簽芯片阻抗進行變化，當電子標簽芯片的阻抗和標簽芯片之間的阻抗匹配較好時則基本不反射信號，而阻抗匹配不好時則將幾乎全部反射信號．這樣反射信號就出現了振幅的變化，這種情況類似于對反射信號進行幅度調制處理。讀寫器通過接收到經過調制的反射信號判斷該電子標簽的標識號并進行識別。這類天線主要包括微帶天線、平面偶極子天線和環(huán)形天線。圖二是我們研制的能工作于多種識別環(huán)境下的UHF電子標簽天線。

　　電子標簽天線的設計與測試

　　如前所述，作于低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)采用感應耦合模式進行通信，所以T作于這兩個頻段的讀寫器與電子標簽都采用線圈形式的天線。T作在這兩個頻段的射頻識別系統(tǒng)都受制于近場作用的范圍，從而導致其識別距離較短。根據目前的情況來看，采用近場通信的射頻識別系統(tǒng)最大的識別距離小于1米。

　　由于低頻和高頻頻段的射頻識別系統(tǒng)采用的是電磁場耦合模式，所以系統(tǒng)中的天線都采用線圈形式。采用這種形式的主要原因如下：

　　1．電磁場的耦合在線圈之間比較緊密：

　　2．天線采用線圈的形式進一步減小了天線的體積進而減小了標簽的體積：

　　3．標簽芯片的特性要求標簽天線具有一定的電抗。

　　在超高頻和微波波段時，電子標簽和讀寫器之間的通信采用反向散射工作方式。這時候，連接電子標簽和讀寫器之間的橋梁不再是近磁場而是電磁波。此時，被動型電子標簽處于讀寫器的電磁波遠場中。根據頻帶的波長和天線的口徑可以計算出該頻帶內射頻識別系統(tǒng)的遠場和讀寫器之間的距離。一般來說，被動性標簽在超高頻范圍內的丁作距離可達10米左有，根據現有資料來看。工作于微波波段（主要指2．45GHz）的被動標簽工作距離僅為1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射頻識別系統(tǒng)主要使用位于860～960MHz的超高頻頻段。

　　在由被動型標簽天線組成的射頻識別系統(tǒng)中，標簽需要從瀆寫器產生的電磁場或者電磁波中獲取能量激活標簽芯片．所以在電子標簽中有一部分電路專門用于檢測標簽天線上的感生電動勢或者感應電壓，并通過二極管電路進行整流并經過其他電路進行電壓放大等等。這些電路被集成存標簽芯片內部。當芯片進行封裝時通常還會引入一部分分布式電容。但是，天線設計本身并不需要知道芯片中的具體電路而只需要掌握芯片和經過封裝之后的芯片阻抗，并利用最大能量傳遞的法則設計天線的輸入阻抗。

　　由于電子標簽芯片的輸出阻抗具有電抗分量，為了達到能量的最大傳遞，需要將天線的輸入阻抗設計為標簽芯片阻抗的共軛。一般而言，電子標簽芯片的輸入阻抗為Z=R_X形式．為了獲得共軛形式的阻抗，電子標簽天線的阻抗應為Z=R+iX形式。

　　如前文所述，工作在低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)中的被動標簽天線采用了線圈形式，這種線圈形式即可引入感抗用于抵消等效電路中的容抗從而實現標簽芯片和天線之間的最大能量傳遞。

　　而對于T作于超高頻和微波頻段的標簽天線而言，為了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天線設計中加入環(huán)形結構進行感性饋電，或者加入T型配『31等結構。另外，為了在規(guī)定的等效全向輻射功率（EIRP）下獲得更遠的閱讀距離除了要求電子標簽天線也具有高增益．還要求電子標簽天線和標簽芯片之間能夠有足夠的匹配。

　　在標簽天線進行設計和仿真并獲得理想結果之后，需要將天線加工并進行測試以驗證設計和仿真的正確性。也正兇為前文中所介紹的標簽天線具有復數阻抗的特性，其測試方法和具有實數阻抗天線的測試方法有所區(qū)別。另外，在同一個標簽天線的測試過程巾，根據所需數據的不同其測試方法也有所不同通常測試天線的過程中并不需要專門測試天線的輸入阻抗。但標簽天線的阻抗為負數阻抗，且其虛部與實部之比較大（通常X／R》10），這樣的阻抗曲線在smith 圓圖中靠近短路圓不易通過smith網圖觀察天線的阻抗帶寬。為了獲得標簽天線的輸入阻抗．可以將測試設備的輸出端口直接與天線的輸入端口相連由于這種方式并未考慮標簽天線本身具有復數阻抗這一特性．天線和測試設備之間并沒有取得共軛匹配，此時只能得到天線的阻抗參數，諸如散射矩陣參數和駐波比等常用來衡量天線的電路參數不能直接獲得。

　　為了獲得是散射參數和駐波比等電路參數，以便對天線的阻抗帶寬特性進行評價，可將實測的阻抗參數帶入相關公式進行計算或者采用阻抗匹配的方法在測試設備和天線之間加入匹配電路。匹配電路可用兩種方法構成，一是采用工作頻率較高的分立元件構成，二是采用微波電路構成。需要注意的是配電路應該距離天線端口足夠近．這樣才能獲得較大的帶寬并避免天線和配電路之間的連接線路帶來的負面影響。

　　電路用于標簽天線的測試。不過采用匹配電路具有一些缺點：

　　l．不論使用分立元件還是使用微波電路來構成阻抗配電路，其帶寬總是受限的，當天線真實帶寬大于配電路的帶寬時，所測試到的帶寬將不再準確；

　　2．南于配電路總是存在損耗，所以測試得到的帶寬和回波損耗值等參數和真實的天線參數有一些差別；

　　3．引入的配電路總是和天線之間存在距離，從而使得測試現一定誤差。

　　采上述使用匹配電路進行測試的方案除了可以獲得一定精度的帶寬和同波損耗等參數之外，對于測試天線的方向圖和增益等輻射特性也是必須的。只有通過阻抗配電路才能將天線接收到的絕大部分能量基本無反射地傳遞到測試系統(tǒng)中，從而測試相應的輻射參數。

　　結語

　　隨著射頻識別技術的應用不斷擴大，越來越多的場合要求使用射頻識別系統(tǒng)。電子標簽天線作為射頻識別系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán)，其設計、生產、測試等均是未來研究的主要內容之一由于電磁波的固有特性，在諸如臨近金屬、液體等環(huán)境中，射頻識別系統(tǒng)的性能將大打折扣。在這樣的環(huán)境中除了提高讀寫器的性能之外，電子標簽天線的性能的提高更為重要。目前我們正在針對電子標簽天線在這些復雜環(huán)境中的應用展開研究。另外，柔性電子標簽貼附在非平坦表面時性能也會有所惡化。如何避免柔性標簽應用到非平坦表面帶來的影響也是目前我們另一個研究重點。