RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計(jì)

　　近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識(shí)別( RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡，然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的.

　　自1970 年第一張IC 卡問世起, IC 卡成為當(dāng)時(shí)微電子技術(shù)市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品之一,到1996 年全世界發(fā)售IC 卡就有7 億多張 . 但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點(diǎn),即接觸點(diǎn)對(duì)腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍. 近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識(shí)別(RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與IC 卡之間數(shù)據(jù)交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識(shí)別卡. 然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的. 這里我們將首先通過介紹RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線的設(shè)計(jì)是RFID 不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線及其設(shè)計(jì)原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來設(shè)計(jì)了一種全向的RFID 天線.

　　1 RFID 技術(shù)原理

　　通常情況下, RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示. 其中,讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端,用來實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ),它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器,主要是由一塊集成電路( IC) 芯片及其外接天線組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路 ,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上 .

圖1 　射頻識(shí)別系統(tǒng)原理圖

　　RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID 卡進(jìn)入讀寫器的射頻場(chǎng)后,由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源,同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發(fā)回給讀寫器. 可見,RFID 卡與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線. 一方面,無源的RFID 卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.

　　目前RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,且有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種. 這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外,還著重對(duì)工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范. RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了RFID天線的選擇,下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型的RFID 天線及其性能.

　　2 RFID 天線類型

　　RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線. 其中,小于1 m 的近距離應(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,它們主要工作在中低頻段. 而1 m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線,它們工作在高頻及微波頻段. 這幾種類型天線的工作原理是不相同的.

　　2.1 線圈天線

　　當(dāng)RFID 的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中,RFID 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. 由RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線的線圈電感L 、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′,其諧振頻率為:

　　, (式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容) . RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm) ,天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz. 目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線圈天線的短距離RFID 應(yīng)用系統(tǒng).

　　圖2 　應(yīng)答器等效電路圖

　　某些應(yīng)用要求RFID 天線線圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動(dòng)物識(shí)別的RFID. 線圈外形即面積小的話,RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實(shí)際使用. 通常在RFID 的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.

　　2.2 　微帶貼片天線

　　微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的 ,如圖3 所示. 根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀. 通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長(zhǎng),假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒有變化,僅沿約為半波長(zhǎng)(λg/ 2) 的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化. 則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中. 為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻(xiàn)[5,6]設(shè)計(jì)了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線和5.9 GHz 的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻(xiàn)[7,8]開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼.

　　圖3 　微帶天線

　　2. 3 　偶極子天線

　　在遠(yuǎn)距離耦合的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中,最常用的是偶極子天線(又稱對(duì)稱振子天線) . 偶極子天線及其演化形式如圖4 所示,其中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)饋入,在偶極子的兩臂上 
將產(chǎn)生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場(chǎng).利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場(chǎng)方程:

　　式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù), r 是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度. 同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11 、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù) .

　圖4 　偶極子天線

　　(a) 偶極子天線; (b) 折合振子天線;(c) 變形偶極子天線

　　當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度l =λ/ 4 時(shí)(半波振子) ,輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻. 在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下,簡(jiǎn)單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度l 為λ/ 4 的整數(shù)倍,如工作頻率為2. 45 GHz 的半波偶極子天線,其長(zhǎng)度約為6 cm.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí),可采用圖4b的折合振子.

　　3 RFID 射頻天線的設(shè)計(jì)

　　從RFID 技術(shù)原理和RFID 天線類型介紹上看,RFID 具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID 天線的特點(diǎn)和性能.目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)很成熟,雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識(shí)別、貨物標(biāo)簽等RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中,但是對(duì)于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應(yīng)用場(chǎng)合,采用線圈型天線則難以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo). 同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實(shí)現(xiàn)工藝較復(fù)雜,成本較高,一時(shí)還無法被低成本的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)所選擇. 偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn),且可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID 應(yīng)用系統(tǒng),因此,下面我們來具體設(shè)計(jì)一個(gè)工作于2. 45 GHz (國(guó)際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段) 的RFID 偶極子天線.

　　半波偶極子天線模型如圖4a 所示. 天線采用銅材料(電導(dǎo)率:5.8e7 s/ m ,磁導(dǎo)率:1) ,位于充滿空氣的立方體中心. 在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界. 輸入信號(hào)由天線中心處饋入,也就是RFID 芯片的所在位置. 對(duì)于2. 45 GHz 的工作頻率其半波長(zhǎng)度約為61mm ,設(shè)偶極子天線臂寬w 為1 mm ,且無限薄,由于天線臂寬的影響,要求實(shí)際的半波偶極子天線長(zhǎng)度為57mm. 在Ansoft HFSS 工具平臺(tái)上, 采用有限元算法對(duì)該天線進(jìn)行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5a 所示,輻射場(chǎng)E 面(即最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面) 方向圖如圖5b 所示. 天線輸入阻抗約為72 Ω ,電壓駐波比(VSWR) 小于2.0 時(shí)的阻抗帶寬為14. 3 % ,天線增益為1.8.

圖5 　偶極子天線

　　(a) 回波損耗S11 ; (b) 輻射方向圖

　　從圖5b 可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無輻射. 如果此時(shí)讀寫器處于該方向上,應(yīng)答器將不會(huì)做出任何反應(yīng). 為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點(diǎn),可以對(duì)天線做適當(dāng)?shù)淖冃?如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長(zhǎng)λ/ 4 成圖4c 所示. 這樣天線總長(zhǎng)度修改為(57. 0 mm + 2 ×28. 5 mm) ,天線臂寬仍然為1 mm. 天線臂延長(zhǎng)λ/ 4 后,整個(gè)天線諧振于1 個(gè)波長(zhǎng),而非原來的半個(gè)波長(zhǎng). 這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計(jì)算結(jié)果約為2 kΩ. 其輸入回波損耗S11如圖6a 所示. 圖6b 為E 面(天線平面) 上的輻射場(chǎng)方向圖,其中實(shí)線為仿真結(jié)果,黑點(diǎn)為實(shí)際樣品測(cè)量數(shù)據(jù),兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計(jì)是正確的. 從圖6b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經(jīng)近似為全方向的了. 電壓駐波比( VSWR)小于2. 0 時(shí)的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對(duì)于大部分RFID 應(yīng)用系統(tǒng),該偶極子天線可以滿足要求.

　　圖6 　變形偶極子天線

　　(a) 回波損耗S11 ; (b) 輻射方向圖

　　4 　結(jié)束語

　　總之,RFID 的實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計(jì)上,特別是對(duì)于具有非常大市場(chǎng)容量的商品標(biāo)簽來說,要求RFID 能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無線數(shù)據(jù)通訊,且還要價(jià)格低廉、體積小. 因此,我們所設(shè)計(jì)的上述這種全向型偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于批量加工制造,是可以滿足實(shí)際需要的. 通過對(duì)設(shè)計(jì)出來實(shí)際樣品的進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與我們的設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果是一致.