1.RFID射頻識(shí)別天線類型

RFID天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。在RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)中，天線分為電子RFID電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用。當(dāng)前的RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)主要集中在LF、HF(13.56MHz)、UHF(860-960MHz)和微波頻段，不同工作頻段的RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)天線的原理和設(shè)計(jì)有著根本上的不同。RFID射頻識(shí)別天線的增益和阻抗特性會(huì)對(duì)RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的作用距離等產(chǎn)生影響，RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻段反過來對(duì)天線尺寸以及輻射損耗有一定要求。所以RFID射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的成功與否。

1.1近場(chǎng)天線

對(duì)于LF和HF頻段，系統(tǒng)工作在天線的近場(chǎng)，RFID電子標(biāo)簽所需的能量都是通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場(chǎng)獲得，工作方式為電感耦合。電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的三次方衰減，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的二次方衰減，且電磁場(chǎng)分量相位差為90○，波印廷矢量為虛數(shù)，能量不向外輻射，只在天線表面附近進(jìn)行電能和磁能的交換。因?yàn)樵诮鼒?chǎng)實(shí)際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的線圈型天線。

線圈型天線實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)諧振電路。在指定的工作頻率上，當(dāng)感應(yīng)阻抗等于電容阻抗的時(shí)候，線圈天線就會(huì)產(chǎn)生諧振。諧振回路的諧振頻率為:(L是天線的線圈電感、C是天線的線圈電容).HF段RFID射頻識(shí)別的線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz.，RFID射頻識(shí)別應(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。某些應(yīng)用環(huán)境要求RFID射頻識(shí)別線圈天線外形很小,且需一定的工作距離,這樣必然會(huì)使線圈天線的互感量減小。為了解決這個(gè)問題，我們通常在線圈內(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.很明顯，近場(chǎng)天線的工作原理完全類似我們熟知的變壓器原理，理論相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

1.2遠(yuǎn)場(chǎng)天線

下面，我們著重討論遠(yuǎn)場(chǎng)天線的理論分析和結(jié)構(gòu)。對(duì)于超高頻和微波頻段，讀寫器天線要為RFID電子標(biāo)簽提供能量或喚醒有源RFID電子標(biāo)簽，工作距離較遠(yuǎn)，一般位于讀寫器天線的遠(yuǎn)場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)天線的公式為：

由上式可得，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的一次方衰減，電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向相互垂直，且都垂直于傳播方向。波印廷矢量為實(shí)數(shù)，電磁場(chǎng)以電磁波形式向外輻射能量。此時(shí)，天線設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，多采用偶極子型或微帶貼片天線。下面分別予以詳細(xì)分析。

1.2.1偶極子天線

偶極子天線，也稱為對(duì)稱振子天線，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,這種電流分布就會(huì)在天線周圍空間激發(fā)起電磁場(chǎng).一般在RFID射頻識(shí)別電子RFID電子標(biāo)簽中使用的是曲折型的折合偶極子天線。

利用麥克斯韋方程就可以求出偶極子天線的輻射場(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.通過高頻軟件仿真，如ADS，HFSS,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特性參數(shù).當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度l=π/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.例如，由N根導(dǎo)線折合偶極子，假設(shè)所有導(dǎo)線上的電路都相等，其饋端阻抗為70N2。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π/4的整數(shù)倍.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí),可采用折合偶極子天線.

1.2.2微帶貼片天線

微帶貼片天線通常是由金屬貼片貼在接地平面上一片薄層圖5微帶貼片天線的示意圖

微帶貼片天線質(zhì)量輕、體積小、剖面薄,饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線同時(shí)制作，與通信系統(tǒng)的印刷電路集成在一起，貼片又可采用光刻工藝制造，成本低、易于大量生產(chǎn)。微帶貼片天線以其饋電方式和極化制式的多樣化以及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等特點(diǎn)而成為印刷天線類的主角。

通常微帶貼片天線的輻射導(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,僅沿約為半個(gè)波長(zhǎng)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,方向基本確定。因此，微帶貼片天線非常適用于通訊方向變化不大的RFID射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)中。

2.RFID射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

RFID射頻識(shí)別天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對(duì)天線性能有很大影響。天線的結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所帖附物體形狀及物理特性的影響。例如，磁場(chǎng)不能穿透金屬等導(dǎo)磁材料,金屬物附近磁力線形狀會(huì)發(fā)生改變,而且,由于磁場(chǎng)能會(huì)在金屬表面引起渦流.由楞次定律可知,渦流會(huì)產(chǎn)生抵抗激勵(lì)的磁通量,導(dǎo)致金屬表面磁通量大大衰減.超高頻讀寫器天線發(fā)出的能量被金屬吸收,讀寫距離就會(huì)大大減小。另外，液體對(duì)電磁信號(hào)有吸收作用，彈性基層會(huì)造成RFID電子標(biāo)簽及天線變形，寬頻帶信號(hào)源(如發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、發(fā)電機(jī))會(huì)產(chǎn)生電磁干擾等，這些都是我們?cè)O(shè)計(jì)天線時(shí)必須細(xì)致考慮的地方。目前，研究領(lǐng)域根據(jù)天線的以上特性提出了多種解決方案，如采用曲折型天線解決尺寸限制，采用倒F型天線解決金屬表面的反射問題等。

天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出電路，這就需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其電路的匹配，天線匹配程度越高，天線的輻射性能越好。當(dāng)工作頻率增加到超高頻區(qū)域的時(shí)候，天線與RFID電子標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。在傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，我們可以通過控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配。一般天線的開發(fā)基于的是50或75歐姆阻抗，而在RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測(cè)試，天線的設(shè)計(jì)也就難以達(dá)到最佳。

對(duì)于近距離RFID射頻識(shí)別應(yīng)用，天線一般和讀寫器集成在一起，比較典型的如YXK8超高頻發(fā)卡器，對(duì)于遠(yuǎn)距離RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)，讀寫器天線天線和讀寫器一般采取分離式結(jié)構(gòu)，比較典型的如YXK5超高頻讀寫器，通過阻抗匹配的同軸電纜連接。一般來說，方向性天線由于具有較少回波損耗，比較適合RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用;由于RFID電子標(biāo)簽放置方向不可控，讀寫器天線一般采用圓極化方式。RFID讀寫器天線要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對(duì)于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計(jì)問題。國(guó)外已經(jīng)開始研究在讀寫器應(yīng)用智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，"智能"的打開和關(guān)閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線覆蓋區(qū)域的RFID電子標(biāo)簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍。

3.RFID天線設(shè)計(jì)流程

下面以微帶天線為例介紹RFID射頻識(shí)別天線的設(shè)計(jì)流程，希望可以起到拋磚引玉的效果。因?yàn)槲炀€的性能指標(biāo)與天線的微帶單元尺寸、基板尺寸、饋電點(diǎn)位置等密切相關(guān)，而這些參數(shù)又直接由RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率、基片介電系數(shù)、基片厚度、饋電方式?jīng)Q定。在選定基片介電系數(shù)和基板厚度、饋電方式之后，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中相關(guān)公式，計(jì)算出貼片尺寸、饋電點(diǎn)的位置，再使用TransmissionLineCalculator工具計(jì)算出饋線的尺寸。得到以上設(shè)計(jì)參數(shù)之后，就可以在高頻軟件ADS的Layout中進(jìn)行仿真。初步仿真后，在Schematic文件中進(jìn)行天線匹配，然后參照匹配系數(shù)在Layout中進(jìn)行修改，完成最終RFID射頻識(shí)別微帶天線的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程明晰流暢，簡(jiǎn)單快捷,調(diào)試方便。

4.結(jié)論

目前，RFID射頻識(shí)別射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，它將不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如天線技術(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)和密碼學(xué)、無線通信技術(shù)、封裝制造技術(shù)等專業(yè)領(lǐng)域。RFID自動(dòng)識(shí)別射頻識(shí)別技術(shù)很大程度上節(jié)省了人工成本，提高作業(yè)精確性，加快數(shù)據(jù)處理速度，有效跟蹤物流動(dòng)態(tài)等。RFID射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)技術(shù)作為整個(gè)RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相當(dāng)關(guān)鍵的一項(xiàng)攻堅(jiān)技術(shù)，需要我們?cè)谄胀ㄌ炀€設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更細(xì)致的考慮RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等的影響，為RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的理想工作提供保證。