RFID技術(shù)原理和RFID標(biāo)簽天線詳解

　　1　引言

　　射頻識(shí)別是一種使用射頻技術(shù)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有傳輸速率快、防沖撞、大批量讀取、運(yùn)動(dòng)過程讀取等優(yōu)勢(shì)，因此，RFID技術(shù)在物流與供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。目前，射頻識(shí)別技術(shù)的工作頻段包括低頻、高頻、超高頻及微波段，其中以高頻和超高頻的應(yīng)用最為廣泛。

　　2　RFID技術(shù)原理

　　RFID系統(tǒng)主要由讀寫器(target)、應(yīng)答器(RFID標(biāo)簽)和后臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，其中，讀寫器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ)，由控制單元、高頻通信模塊和天線組成，標(biāo)簽主要由一塊集成電路芯片及外接天線組成，其中電路芯片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路。標(biāo)簽按照供電原理可分為有源(acTIve)標(biāo)簽、半有源(semiacTIve)標(biāo)簽和無源(passive)標(biāo)簽，無源標(biāo)簽因?yàn)槌杀镜?、體積小而備受青睞。

　　RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器發(fā)射射頻場(chǎng)后，將天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路后作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行處理，需要回復(fù)的信息則從標(biāo)簽存儲(chǔ)器發(fā)出，經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回讀寫器。

　　3　RFID系統(tǒng)中的天線

　　從RFID技術(shù)原理上看，RFID標(biāo)簽性能的關(guān)鍵在于RFID標(biāo)簽天線的特點(diǎn)和性能。在標(biāo)簽與讀寫器數(shù)據(jù)通信過程中起關(guān)鍵作用是天線，一方面，標(biāo)簽的芯片啟動(dòng)電路開始工作，需要通過天線在讀寫器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量;另一方面，天線決定了標(biāo)簽與讀寫器之間的通信信道和通信方式。因此，天線尤其是標(biāo)簽內(nèi)部天線的研究就成為了重點(diǎn)。

　　3.1 RFID系統(tǒng)天線的類別

　　按RFID標(biāo)簽芯片的供電方式來分，RFID標(biāo)簽天線可以分為有源天線和無源天線兩類。有源天線的性能要求較無源天線要低一些，但是其性能受電池壽命的影響很大：無源天線能夠克服有源天線受電池限制的不足，但是對(duì)天線的性能要求很高。目前，RFID天線的研究重點(diǎn)是無源天線。從RFID系統(tǒng)工作頻段來分，在LF、HF段f如6.78MHz、13.56MHz)I作的RFID系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在感應(yīng)場(chǎng)區(qū)域(似穩(wěn)場(chǎng))中完成，也稱為感應(yīng)耦合系統(tǒng);在UHF段(如915MHz、2400Mttz)Z作的系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域(輻射場(chǎng))中完成，也稱為微波輻射系統(tǒng)。由于兩種系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳送方式不同，對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽天線及前端部分存在各自特殊性，因此標(biāo)簽天線分為近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用的是近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線，由多匝電感線圈組成，電感線圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量;微波輻射系統(tǒng)使用的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線通常是諧振式的，一般取半波長(zhǎng)。天線的形狀和尺寸決定它能捕捉的頻率范圍等性能，頻率越高，天線越靈敏，占用的面積也越少。較高的工作頻率可以有較小的標(biāo)簽尺寸，與近場(chǎng)感應(yīng)天線相比，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線的輻射效率較高。

　　3.2 RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求

　　RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求主要包括：天線的物理尺寸足夠小，能滿足標(biāo)簽小型化的需求;具有全向或半球覆蓋的方向性;具有高增益，能提供最大的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片;阻抗匹配好，無論標(biāo)簽在什么方向，標(biāo)簽天線的極化都能與讀寫器的信號(hào)相匹配;具有頑健性及低成本。在選擇天線時(shí)主要考慮：天線的類型，天線的阻抗，應(yīng)用到物品上的RF性能，當(dāng)有其他物品圍繞標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能。

　　4　RFID標(biāo)簽天線的類別和研究現(xiàn)狀

　　標(biāo)簽天線主要分為3大類：線圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或?qū)⒔饘倬€纏繞在磁心上;偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋人，天線的長(zhǎng)度決定頻率范圍;縫隙型天線是由金屬表面切出的凹槽構(gòu)成，其中微帶貼片天線由一塊末端帶有長(zhǎng)方形的電路板構(gòu)成，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)寬決定頻率范圍。

　　識(shí)別距離小于1m的中低頻近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線圈型天線;1I1以上的高頻或微波頻段的遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)需要采用偶極子和縫隙型天線。

　　4.1 線圈型天線

　　當(dāng)標(biāo)簽線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中，標(biāo)簽天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器。兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。

　　標(biāo)簽和讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是當(dāng)要求標(biāo)簽天線線圈外形很小，即面積小，且需一定的工作距離，RFID標(biāo)簽與讀寫器問的天線線圈互感量(就明顯不能滿足實(shí)際需求，可以在標(biāo)簽天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面小的問題”。目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)已很成熟，廣泛地應(yīng)用在身份識(shí)別、貨物標(biāo)簽等RFID系統(tǒng)中，但是對(duì)于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場(chǎng)合，采用線圈型天線難以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo)。

　　4.2 偶極子天線

　　偶極子天線具有輻射能力好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)成適用于全方位通信的RFID系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，尤其是在遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。

　　傳統(tǒng)半波偶極子天線的最大問題在于對(duì)標(biāo)簽尺寸的影響，如915MHz的半波偶極子。研究表明，端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線可以通過選擇合適的幾何參數(shù)來獲得所需的輸入阻抗，具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，性能非常出色，且與傳統(tǒng)半波偶極子天線相比尺寸要小很多，若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器，還能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。已知增加天線的彎折次數(shù)有利于在不降低天線效率的情況下減小天線尺寸，那么，如何在有限的空問下進(jìn)行“彎折”，“彎折”的具體參數(shù)對(duì)標(biāo)簽天線的諧振頻率和輸入阻抗有何影響?怎樣“彎折”的RF效率最高?

　　我們知道。具有分形結(jié)構(gòu)的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點(diǎn)，應(yīng)用到天線設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)天線多頻段特性和尺寸縮減特性。國(guó)內(nèi)外對(duì)具有分形結(jié)構(gòu)的天線做了大量研究工作，證實(shí)了分形結(jié)構(gòu)的天線具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線效率網(wǎng)。

　　對(duì)半波振子的不同位置和維度使用Hilbert分形變換，并用矩量法對(duì)Hilbert標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，能得到標(biāo)簽天線的諧振頻率和輸入阻抗隨分形維數(shù)和階數(shù)不同的仿真結(jié)果，分析結(jié)果中的天線增益和效率，判斷哪種維度和階數(shù)的標(biāo)簽天線最符合實(shí)際標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步制作實(shí)體天線，并測(cè)試RF識(shí)別距離，這是常用的研究方法。

　　4.3 縫隙(包括微帶貼片)型天線

　　縫隙天線具有低輪廓、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡(jiǎn)化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。

　　微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成，根據(jù)天線輻射特性，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀。普遍應(yīng)用于頻率高于100MHz的低輪廓結(jié)構(gòu)，通常由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上的一片薄層電介質(zhì)(稱為基片)表面所組成，其貼片可采用光刻工藝制造，使之成本低，易于大量生產(chǎn)。

　　如前所述，彎折型天線有利于減小標(biāo)簽天線的物理尺寸，滿足標(biāo)簽小型化的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于縫隙天線來說，同樣可以利用彎折的概念。事實(shí)上，彎折縫隙天線適用于高頻微波段的RFID標(biāo)簽，能有效減小天線尺寸，性能優(yōu)。具有廣闊的市場(chǎng)前景。研究方法和彎折偶極子天線類似，用矩量法研究縫隙彎折的次數(shù)、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對(duì)矩形天線諧振特性的影響。

　　彎折縫隙天線，平片大小為L(zhǎng)xW，縫隙彎折寬度和高度分別為s和h，縫隙離饋電點(diǎn)中心距離為，下面討論這些參數(shù)的變化對(duì)縫隙天線的諧振特性、反射系數(shù)、天線效率等影響。

　　基于彎折的各參數(shù)對(duì)縫隙天線性能的影響，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)UHF射頻識(shí)別標(biāo)簽用的縫隙天線，制作具體的實(shí)物天線。可以預(yù)計(jì)，彎折縫隙天線將是UHF標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域比較看好的發(fā)展方向。

　　5　RFID標(biāo)簽天線的熱點(diǎn)問題

　　在RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中，除了一直很受重視的減小物理尺寸問題，進(jìn)一步改善小型化后的天線帶寬和增益特性以擴(kuò)展其實(shí)際應(yīng)用范圍，分析小型化天線的交叉極化特性以明確其極化純度也是重要的研究方向，另外，覆蓋各種頻率的復(fù)合天線設(shè)計(jì)，多標(biāo)簽天線優(yōu)化分布技術(shù)，讀寫器智能波束掃描天線陣技術(shù)，設(shè)計(jì)仿真軟件和平臺(tái)，標(biāo)簽天線和附著介質(zhì)匹配技術(shù)，一致性抗干擾性和安全可靠性技術(shù)等都是值得繼續(xù)研究的內(nèi)容。

　　其中，片上天線技術(shù)是近期研究的熱點(diǎn)問題。RFID技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使RFID標(biāo)簽對(duì)小型化、輕量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不斷提高，然而目前的RFID標(biāo)簽仍然使用片外獨(dú)立天線，其優(yōu)點(diǎn)是天線Q(品質(zhì)因素)值較高、易于制造、成本適中。缺點(diǎn)是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標(biāo)簽形式植入動(dòng)物體內(nèi)等任務(wù)。若能將天線集成在標(biāo)簽芯片上，無需任何外部器件即可進(jìn)行工作，將會(huì)使整個(gè)標(biāo)簽體積更小、使用更方便，這就引發(fā)了片上天線技術(shù)的研究。

　　把天線集成到片上，不僅簡(jiǎn)化了原有的標(biāo)簽制作流程，降低了成本，還提高了可靠性。片上天線作為能量接收器和信號(hào)傳感器決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，它的基本出發(fā)點(diǎn)是利用法拉第電磁感應(yīng)原理。把外界變化的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為片上的電源電壓，作為整個(gè)芯片的工作電源，同時(shí)利用電磁場(chǎng)變化引起的片上電流或電壓的變化來鑒別接收信號(hào)。通過改變由于自身輸出阻抗導(dǎo)致的外界磁場(chǎng)變化而把信號(hào)傳輸至接收端。迄今為止，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)的片上天線仍然以硅基集成螺旋電感作為主要結(jié)構(gòu)。

　　除了RFID標(biāo)簽內(nèi)部的設(shè)計(jì)，例如RFID智能平臺(tái)(smarttable)天線等領(lǐng)域的研究也日漸受到重視。