射頻識別RFID天線介紹

發(fā)布時間:2020-11-26 16:28:04

1.射頻識別天線類型

RFID天線是用電磁波接收或發(fā)射前端無線信號功率的設(shè)備，是電路和空間的接口設(shè)備，用于實現(xiàn)導(dǎo)波和自由空間波能量轉(zhuǎn)化。在RFID射頻識別系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和閱讀器天線，分別起到接收能量和釋放能量的作用。目前的RFID射頻識別系統(tǒng)主要集中在低頻LF、高頻HF(13.56MHz)、超高頻UHF(860-960MHz)和微波波段，根據(jù)工作波段的不同，射頻識別系統(tǒng)天線的原理和設(shè)計有根本的不同。射頻識別天線的增益和阻抗特性影響RFID自動識別系統(tǒng)的工作距離等，RFID射頻識別系統(tǒng)的工作頻段對天線大小和輻射損失有要求。因此，RFID射頻識別天線設(shè)計的好壞關(guān)系到整個RFID自動識別系統(tǒng)的成功與否。

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1.1近場射頻識別RFID天線

對于LF和HF頻段，系統(tǒng)在天線的近場工作，RFID電子標(biāo)簽所需的能量全部通過電感耦合從閱讀器的耦合線圈輻射近場獲得，工作方式是電感耦合。電場強度根據(jù)距離的3次方衰減，磁場強度根據(jù)距離的2次方衰減，電磁場元件相位差為90，光子向量為虛數(shù)，能量不向外輻射，只在天線表面附近交換電能和磁能。近距離領(lǐng)域?qū)嶋H上沒有電磁波傳播的問題，所以天線設(shè)計比較簡單，一般采用工藝簡單、成本低廉的線圈天線。
線圈天線本質(zhì)上是諧振電路。在指定的工作頻率下，當(dāng)感應(yīng)阻抗等于電容器阻抗時，線圈天線會產(chǎn)生共振。諧振電路的諧振頻率為：(L是天線的線圈電感，C是天線的線圈電容)。HF段RFID無線電識別線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz。RFID射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)通過該頻率載體實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。在某些應(yīng)用環(huán)境中，RFID射頻識別線圈天線形狀小，需要工作距離，因此線圈天線的相互電感只能減少。為了解決這個問題，我們通常在線圈內(nèi)部插入具有高電導(dǎo)率的鐵氧體材料，以增加互感，補償線圈橫截面減少的問題。近距離天線的工作方式與我們熟悉的變壓器原理完全相似，理論比較簡單。

1.2遠(yuǎn)距離天線

接下來，我將集中討論遠(yuǎn)距離天線的理論分析和結(jié)構(gòu)。對于超高頻和微波波段，閱讀器天線用于為RFID電子標(biāo)簽提供能量或喚醒活動RFID電子標(biāo)簽，它們相距很遠(yuǎn)，通常位于閱讀器天線的較遠(yuǎn)位置。電場強度和磁場強度根據(jù)距離的一側(cè)衰減，電場和磁場方向相互垂直，與傳播方向垂直。博因汀矢量是實數(shù)，電磁場以電磁波的形式釋放能量。此時天線設(shè)計對系統(tǒng)性能有很大影響，常用偶極或微帶貼片天線。下面將分別詳細(xì)分析。

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1.2.1偶極天線
偶極天線，也稱為對稱擺天線，由兩條厚度相同、長度相同的直線導(dǎo)體排成一條直線。中間兩端提供信號，在偶極的雙臂上產(chǎn)生一定的電流分布。這種電流分布會在天線周圍的空間產(chǎn)生電磁場。一般用于RFID無線識別電子RFID電子標(biāo)簽的是曲折型偶極天線。
IZ是沿擺錘臂分布的電流，是相位常數(shù)，R是擺錘中點到觀察點的距離，是擺錘軸到R的角度，L是單擺臂的長度。通過ADS、HFSS等高頻軟件仿真，可以獲得天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等特性參數(shù)。天線輸入阻抗可以被認(rèn)為是純電阻。例如，如果用N條導(dǎo)線折疊偶極，則假定所有導(dǎo)線的電路相同，供應(yīng)端阻抗為70N2。無視天線厚度橫向影響的簡單偶極天線設(shè)計可以將鐘擺長度L為/4的整數(shù)倍。偶極天線需要更大的輸入阻抗時，可以使用折疊偶極天線。
1.2.2微帶貼片天線
微帶貼片天線質(zhì)量輕，體積小，單面薄，饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以與天線同時制作，與通信系統(tǒng)的印刷電路集成，貼片可以使用光刻工藝制造，成本低，便于批量生產(chǎn)。微帶貼片天線由于供應(yīng)方式和極化方式的多樣化和饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成等特點，成為印刷天線類的主角。

一般來說，微帶貼片天線的輻射導(dǎo)體和金屬地面距離為數(shù)十分之一波長。假設(shè)輻射電場不沿著導(dǎo)體的側(cè)面和縱向變化，而只沿著約半波長的導(dǎo)體長度方向變化。微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開放邊緣的邊緣場產(chǎn)生的，方向基本上是確定的。因此，微帶貼片天線適用于通信方向變化不大的RFID射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)。

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2.RFID射頻識別天線設(shè)計要點

RFID射頻識別天線結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素對天線性能有很大影響。天線的結(jié)構(gòu)決定天線模式、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所附加物體的形狀和物理特性的影響。例如，磁場不能穿透金屬等導(dǎo)磁性材料，金屬物附近的磁力線形狀可能會發(fā)生變化，也是因為磁場會在金屬表面引起漩渦。根據(jù)倫茨定律，漩渦會產(chǎn)生抵抗激勵的磁通量，大大降低金屬表面的磁通量。超高頻閱讀器天線產(chǎn)生的能量被金屬吸收，讀寫距離大大減少。另外，液體對電磁信號有吸收作用，彈性基層產(chǎn)生RFID電子標(biāo)簽和天線變形，寬帶信號源(例如發(fā)動機、泵、發(fā)電機)產(chǎn)生電磁干擾等。這是我們設(shè)計天線時要仔細(xì)考慮的部分。目前，研究領(lǐng)域根據(jù)天線的上述特性提出了多種解決方案。例如，用曲折天線解決大小限制，用反向F型天線解決金屬表面的反射問題等。
天線的目標(biāo)是將最大能量傳輸?shù)诫娐穬?nèi)外。這就需要仔細(xì)設(shè)計天線與自由空間和電路的匹配，天線匹配程度越高，天線的輻射性能就越高。當(dāng)工作頻率增加到UHF區(qū)域時，天線和RFID電子標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)重。在傳統(tǒng)的天線設(shè)計中，可以控制天線大小和結(jié)構(gòu)，使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器將輸入阻抗與饋線匹配。一般天線開發(fā)基于50或75ohm阻抗，RFID射頻識別系統(tǒng)中芯片的輸入阻抗可以是任意值，在工作狀態(tài)下很難準(zhǔn)確測試，天線設(shè)計也很難優(yōu)化。

對于近距離RFID射頻識別應(yīng)用，天線通常與讀者集成。比較一般的東西，如UR5002讀寫器，對于遠(yuǎn)距離RFID射頻識別系統(tǒng)，閱讀器天線和閱讀器通常使用單獨的結(jié)構(gòu)。比較一般的東西，如UR6258閱讀器，阻抗通過匹配的同軸電纜連接。一般來說，定向天線的回聲損失較小，因此更適合RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用。由于無法控制RFID電子標(biāo)簽放置方向，閱讀器天線通常采用圓形極化方式。RFID閱讀器天線需要低截面、小型化和多頻帶覆蓋。對于分離式閱讀器，還包括天線陣列的設(shè)計問題。國外已經(jīng)開始研究將智能波束掃描天線陣列應(yīng)用于閱讀器，讀者可以按照一定的處理順序打開“智能”，關(guān)閉其他天線，使系統(tǒng)能夠檢測到其他天線應(yīng)用區(qū)域的RFID電子標(biāo)簽，從而擴大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

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3 .射頻識別RFID天線結(jié)論

目前，RFID射頻識別射頻識別技術(shù)已發(fā)展成為一個獨立的跨學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域，融合了天線技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、高頻技術(shù)、電磁兼容性、數(shù)據(jù)保護(hù)和加密、無線通信技術(shù)、封裝制造技術(shù)等多種專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)。RFID自動識別射頻識別技術(shù)可大大降低人工成本，提高工作準(zhǔn)確性，加快數(shù)據(jù)處理速度，有效跟蹤物流動態(tài)等優(yōu)點。RFID射頻識別天線設(shè)計技術(shù)是整個RFID自動識別系統(tǒng)設(shè)計中相當(dāng)重要的攻擊技術(shù)，需要更細(xì)致地考慮RFID射頻識別系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等影響。為RFID自動識別系統(tǒng)的理想操作提供保證。

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