超高頻RFID天線設(shè)計(jì)技術(shù)研究

摘要：在RFID系統(tǒng)中，一個(gè)很重要的指標(biāo)就是讀寫(xiě)距離，影響讀寫(xiě)距離的重要參數(shù)則是讀寫(xiě)器天線和標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)。天線設(shè)計(jì)是RFID無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)出合適的天線是確保系統(tǒng)正常通信的前提。從近場(chǎng)耦合天線的理論分析著手，通過(guò)實(shí)際RFID項(xiàng)目中的總結(jié)，結(jié)合實(shí)際RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)所需主要考慮的物理參量，并根據(jù)這些參量確定設(shè)計(jì)步驟。
關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；閱讀器天線；RFID電子標(biāo)簽天線；天線設(shè)計(jì)

0 引言
RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)的應(yīng)用由來(lái)已久，最早可追溯到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)，英國(guó)空軍飛機(jī)使用的敵我飛機(jī)識(shí)別系統(tǒng)。最近RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物品管理、車(chē)輛定位以及井下人員定位等。該技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用無(wú)線射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目的。

1 RFID無(wú)線射頻技術(shù)概述
1．1 RFID無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)的基本組成
RFID無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)主要由RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器、天線以及上位機(jī)管理系統(tǒng)組成。RFID電子標(biāo)簽和RFID讀寫(xiě)器之間是通過(guò)無(wú)線方式傳輸信息的，因此它們之間都有無(wú)線收發(fā)模塊及天線(感應(yīng)線圈)。效果圖如圖1所示。

(1)RFID電子標(biāo)簽(Tag)：RFID電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。由耦合元件及芯片組成，每個(gè)RFID電子標(biāo)簽具有惟一的EPC(Electr ctronic ProductCode)電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。與傳統(tǒng)的條形碼相比，EPC編碼不僅可以反映某一類(lèi)產(chǎn)品，還可以具體到某一件產(chǎn)品。
(2)RFID閱讀器(Reader)：讀寫(xiě)器足可以讀取或者寫(xiě)入電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，其基本功能就是與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可設(shè)計(jì)為手持式閱讀器或固定式閱讀器。
(3)天線(Antenna)：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。
1．2 RFID系統(tǒng)的工作原理
RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器發(fā)射的磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)，解瀆器瀆取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。射頻識(shí)別過(guò)程示意圖如圖2所示。

2 RFID標(biāo)簽天線性能指標(biāo)
從RFID系統(tǒng)的識(shí)別過(guò)程不難看出，RFID讀寫(xiě)器在感知RFID電子標(biāo)簽的過(guò)程中，天線在RFID電子標(biāo)簽和RFID讀取器間傳遞射頻信號(hào)起到了重要的橋梁作用，RFID讀寫(xiě)器天線、RFID電子標(biāo)簽天線的性能對(duì)提高整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的性能有著重要的意義。由于RFID電子標(biāo)簽附著在被標(biāo)識(shí)的物體上，RFID電子標(biāo)簽天線會(huì)受到所標(biāo)識(shí)物體的形狀以及物理特性的影響。影響因素包括所標(biāo)識(shí)物體的材料、所標(biāo)識(shí)物品的工作環(huán)境等。另外，在RFID無(wú)線射頻的裝置中，工作頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候，天線與RFID電子標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。這些因素給RFID電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。
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，是電路與空間的界而器件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。當(dāng)前的RFID無(wú)線射頻系統(tǒng)主要集中在低頻、高頻、超高頻、微波頻段，不同工作頻段的RFID系統(tǒng)天線的原理和設(shè)計(jì)有著根本上的不同：
(1)方向特性
天線的輻射是具有方向性的。輻射場(chǎng)振幅與方向的關(guān)系曲線稱(chēng)為方向圖，實(shí)際上就是遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)任意方向上某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)同方向的關(guān)系曲線。方向圖一股指歸一化的方向圖，即遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)任意方向上某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與同一距離的最大場(chǎng)之比同方向的關(guān)系曲線。定義方向圖函數(shù)為：

式中EM是|E(α，β)|的最大值。
(2)方向性系數(shù)
方向性系數(shù)是用來(lái)表示天線向某一個(gè)方向集中輻射電磁波程度的一個(gè)參數(shù)。任一定向天線的方向性系數(shù)是指在接收點(diǎn)產(chǎn)生相等電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，非定向天線的總輻射功率對(duì)該定向天線的總輻射功率之比。按照此定義，由于定向天線在各個(gè)方向上的輻射強(qiáng)度不等，故天線的方向性系數(shù)也隨著觀察點(diǎn)的位置而不同，在輻射電場(chǎng)最大的方向，方向性系數(shù)也最大。一般情況下，定向天線的方向性系數(shù)就是最大輻射方向的方向性系數(shù)，即在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度So之比，記為D，即：

(3)天線效率
天線效率是用以度量天線轉(zhuǎn)換能量的有效性的指標(biāo)。天線效率均小于1，表示天線輸入功率一部分轉(zhuǎn)化為輻射功率，一部分為損耗功率。天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比，記為ηA，即：

式中：Pi為輻射功率；Pj為損耗功率。
(4)天線增益
天線系數(shù)僅反映了天線輻射能最的集中程度，天線增益不僅反映了天線的輻射能力，還考慮了天線的損耗因數(shù)。在輸入功率相同的條件下，定向天線在空間某方向(θ，φ)的輻射功率密度S(θ，φ)與無(wú)損耗的點(diǎn)源天線在該方向輻射功率密度So之比，稱(chēng)為天線的增益，記為G(θ，φ)。即：

增益系數(shù)是綜合衡量大線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向性系數(shù)與天線效率的乘積，記為G，即：
G=D·ηA
對(duì)于頻段為超高頻、微波的RFID無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于RFID電子標(biāo)簽天線面積較小，因此天線的增益也是有限的。增益的大小豐要取決于天線輻射模式的類(lèi)型。
(5)阻抗特性
天線的輸入阻抗可以用天線饋電點(diǎn)處的電壓與電流之比來(lái)表示，通常為頻率的函數(shù)。RFID天線的阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)成50 Ω或70 Ω，以便和常規(guī)的饋線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。RFID天線相當(dāng)于讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽輸出端的終端負(fù)載，輸入阻抗Zin定義為天線輸入電壓與輸入電流Io之比。即：

式中：Rin，Xin分別為輸入阻抗的實(shí)部和虛部。
RFID天線的輻射功率P∑相當(dāng)于在一個(gè)等效阻抗上所產(chǎn)牛的損耗。這個(gè)等效阻抗稱(chēng)為輻射阻抗Z∑，即：

式中：I為參考電流；R∑，X∑分別為輻射阻抗的實(shí)部和虛部。

3 結(jié)論
隨著RFID無(wú)線射頻技術(shù)應(yīng)用需求的不斷明確和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，作為RFID系統(tǒng)關(guān)鍵部件的天線的設(shè)計(jì)和研究變得十分緊要和迫切。天線技術(shù)是RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)RFID技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。