ＲＦＩＤ標(biāo)簽天線技術(shù)發(fā)展綜述

陳宏山　何　平

【摘要】文章從介紹RFID系統(tǒng)入手,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外RFID標(biāo)簽天線技術(shù)的最新研究進(jìn)展,分析了RFID天線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)標(biāo)簽天線的研究與設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】RFID 標(biāo)簽天線 防金屬技術(shù) PIFA

1 引言

RFID(Radio Frequency Identification,無線射頻識(shí)別)技術(shù)的應(yīng)用由來已久,最早可追溯到1939年第二次世界大戰(zhàn)時(shí),英國(guó)空軍飛機(jī)使用的敵我目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)[1,2]。之后,RFID技術(shù)主要應(yīng)用于軍事物質(zhì)、裝備及人員的跟蹤[3,4]。RFID技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象、獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID標(biāo)簽的信息獲取、解釋以及數(shù)據(jù)管理。近年來,隨著電子、通信與信息技術(shù)的飛速發(fā)展,RFID技術(shù)步入了商業(yè)化廣泛應(yīng)用的階段,能夠快速地進(jìn)行物品追蹤、管理,具有可靠性高、保密性強(qiáng)、方便快捷等特點(diǎn),被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的信息技術(shù)之一。

2 RFID系統(tǒng)介紹

2.1 RFID系統(tǒng)的組成

RFID系統(tǒng)主要由RFID標(biāo)簽、讀寫器、通信與接口中間層以及進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、交換和管理的應(yīng)用管理系統(tǒng)組成,如圖1所示:

圖1RFID系統(tǒng)的組成

2.2 RFID系統(tǒng)工作原理

讀寫器具有將射頻載波信號(hào)通過發(fā)射天線向外發(fā)射的功能。當(dāng)RFID標(biāo)簽附著物進(jìn)入讀寫器天線的工作覆蓋區(qū)域時(shí),因?yàn)殡姶拍芰康母袘?yīng),RFID標(biāo)簽被激活,并將自身的信息數(shù)據(jù)通過標(biāo)簽天線發(fā)射出去,完成信息的上載過程。讀寫器天線接收到RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)之后,由讀寫器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解碼和解調(diào),并送到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)做出相應(yīng)的處理,隨后將指令控制信號(hào)發(fā)送回RFID標(biāo)簽,完成數(shù)據(jù)信息的處理及交換過程。

2.3 RFID標(biāo)簽

RFID標(biāo)簽主要由標(biāo)簽芯片和天線組成。目前,RFID標(biāo)簽按工作頻段可劃分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。不同頻段的RFID標(biāo)簽工作原理不同:LF和HF頻段RFID電子標(biāo)簽一般采用電磁耦合原理,而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射原理。

3 RFID標(biāo)簽天線技術(shù)進(jìn)展

從RFID系統(tǒng)的工作原理不難看出,在RFID卡和讀寫器進(jìn)行通信的過程中,天線起到了重要的作用,標(biāo)簽天線的性能對(duì)提高系統(tǒng)的性能有著重要的意義。由于標(biāo)簽附著在被標(biāo)識(shí)物體上,標(biāo)簽天線會(huì)受到所標(biāo)識(shí)物體的形狀及物理特性的影響,如標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離、貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)、金屬表面的反射、局部結(jié)構(gòu)對(duì)輻射模式的影響等。這些因素給標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)提出了很高的要求,同時(shí)也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

近年來,標(biāo)簽天線技術(shù)取得了較大的進(jìn)展,各種新技術(shù)和新材料的應(yīng)用使標(biāo)簽天線的性能得到了較大的提升。

3.1 防金屬技術(shù)

若電子標(biāo)簽使用于金屬表面,為了使標(biāo)簽正常工作,通常采用的辦法是將標(biāo)簽安裝于距金屬表面一定的高度(如1cm以上)位置上,而這會(huì)帶來標(biāo)簽成本的增加和使用受限問題。為解決這一難題,近年來,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些涉及防金屬電子標(biāo)簽及其標(biāo)簽天線的報(bào)道,各種防金屬標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方案層出不窮,如增加RFID標(biāo)簽的基板背面金屬涂層的面積,在標(biāo)簽基板中引入電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu),以降低金屬使用環(huán)境的的影響。

目前,國(guó)外防金屬技術(shù)標(biāo)簽的研究更進(jìn)一步。瑞士的Harting Mitronics公司在新研發(fā)的RFID標(biāo)簽中融合了3-D技術(shù),標(biāo)簽內(nèi)部是塑料注塑成型,激光全息結(jié)構(gòu)的金屬涂層產(chǎn)生3-D效果,功能類似于高靈敏度inverted-F天線[5]。這種天線對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性比較強(qiáng),無論是金屬環(huán)境、液態(tài)環(huán)境、高溫環(huán)境還是振顫環(huán)境。如2006年4月發(fā)布應(yīng)用的無源超高頻RFID標(biāo)簽安裝了3-D天線,進(jìn)一步增強(qiáng)了識(shí)讀能力,識(shí)讀范圍達(dá)5米,實(shí)物見圖2:

圖2Harting 3-D防金屬標(biāo)簽

3.2 小型化技術(shù)

由于RFID標(biāo)簽尺寸的限制,射頻天線的小型化成為決定RFID標(biāo)簽性能的重要因素,因而長(zhǎng)期以來,標(biāo)簽天線小型化一直是RFID技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。人們提出了分形天線、V型偶極子、彎折偶極子、環(huán)天線等天線新技術(shù)。

(1)分形天線

分形理論是由Manderlbrot于1975年提出的,理論的核心是分形結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體一般都具有比例自相似特性和空間填充特性。在天線設(shè)計(jì)中,利用分形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)天線的尺寸縮減和寬頻帶特性。文獻(xiàn)[6]在偶極子天線加載分支線特性的研究基礎(chǔ)上,提出了一種基于Manderlbrot和“分形樹”結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì),通過仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果分析得出了如下結(jié)論:隨著分形階數(shù)的增加,與經(jīng)典Manderlbrot結(jié)構(gòu)天線相比,“分形樹”結(jié)構(gòu)天線在保持尺寸縮減特性的同時(shí),具有更易實(shí)現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu),是實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽天線小型化的有效途徑。

同樣,文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款Hilbert分形結(jié)構(gòu)的無源電子標(biāo)簽天線,分析研究了天線基板材料和封裝材料的相對(duì)介電常數(shù)大小與介質(zhì)厚度對(duì)天線性能的影響,得出了如下結(jié)論:分形天線具有多諧振點(diǎn)特性,但是多個(gè)諧振頻率之間的關(guān)系是由分形的結(jié)構(gòu)確定的,而不是由材料的介電常數(shù)和介質(zhì)厚度確定的。這一結(jié)論對(duì)標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)和制作具有重要的指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于方形Minkowski環(huán)的分形平面開槽環(huán)天線,由于此天線具有雙向的方向圖,RFID標(biāo)簽在查詢驗(yàn)證過程中不需要進(jìn)行特定的定位處理。開槽環(huán)天線高12.75mm,槽寬0.5mm,通過50ohm的微帶線饋電,制作的三個(gè)天線的理論諧振頻率分別為2.45GHz、1.75GHz和1.45GHz,實(shí)測(cè)的諧振頻率為2.35GHz、1.7GHz和1.38GHz,與理論值吻合很好。

(2)折疊印刷偶極子天線

偶極子天線是標(biāo)簽天線最常見的形式,具有輻射能力強(qiáng)、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低、能夠?qū)崿F(xiàn)全向性的優(yōu)點(diǎn),經(jīng)常應(yīng)用于遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。但一般偶極子天線尺寸比較大,所以在標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中,更多采用的是其各種改進(jìn)形式。

Kihun Chang等人獨(dú)辟蹊徑,將印刷偶極子天線的天線臂設(shè)計(jì)成環(huán)型,達(dá)到了進(jìn)一步小型化的目的,天線尺寸僅為15.5mm×14.8mm[9]。

文獻(xiàn)[10]采用折天線臂技術(shù)和鏡像補(bǔ)償技術(shù),設(shè)計(jì)了一款工作在915MHz的小型化RFID印刷偶極子標(biāo)簽天線。此種天線結(jié)構(gòu),不僅僅適用于900MHz頻段,適當(dāng)減小天線結(jié)構(gòu)和鏡像結(jié)構(gòu)尺寸,也可用來設(shè)計(jì)工作于2.45GHz微波頻段的天線。

(3)倒F天線(PIFA)

PIFA中已經(jīng)包含地面結(jié)構(gòu),可以很好地屏蔽標(biāo)簽附著物品的介電常數(shù)對(duì)RND天線的影響。近年來,一些研究者嘗試將其應(yīng)用于RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于平面倒F天線結(jié)構(gòu)的雙頻段RFID標(biāo)簽天線。設(shè)計(jì)時(shí)采用了地面開縫隙技術(shù),在天線輻射面上開槽和小環(huán),以實(shí)現(xiàn)天線雙頻段特性,可獲得比普通PIFA天線更寬的帶寬,可以很好地工作在867MHz和915MHz頻率上。這種天線剖面低,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷,與RFID標(biāo)簽芯片阻抗匹配容易,是實(shí)現(xiàn)雙頻特性RFID標(biāo)簽天線的有效途徑。

3.3 材料技術(shù)

隨著RFID標(biāo)簽的廣泛應(yīng)用,從性能、成本、環(huán)保等方面對(duì)標(biāo)簽天線提出了更高的要求,人們?cè)O(shè)法將各種新型材料應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[12]提出了一種用于2.4GHz頻段射頻識(shí)別標(biāo)簽的硅基集成天線方案,工藝基于CMOS的硅基,通過改變環(huán)形天線的幾何尺寸實(shí)現(xiàn)前端匹配。測(cè)試結(jié)果表明,采用外徑1.8mm×1.8mm的環(huán)形天線,襯底厚度為300μm時(shí),天線增益可達(dá)-37dBi。

此外,文獻(xiàn)[6,13]提出了在可降解的紙基材料上電鍍標(biāo)簽天線的方案,分別設(shè)計(jì)了分形天線和小環(huán)天線,取得了良好的效果。紙基材料的應(yīng)用不僅可以降低天線制造成本,而且紙基材料可回收,減少環(huán)境污染。日本NTN公司開發(fā)出了由橡膠和陶瓷粉末組成的名為“橡膠類天線材料”的高頻高介電天線材料[14]。其向基材中添加橡膠,通過調(diào)整高介電陶瓷粉末的配合比例,能夠隨意設(shè)置相對(duì)介電常數(shù),而且質(zhì)地柔軟,能夠貼到曲面上使用。

4 RFID標(biāo)簽天線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 低成本

構(gòu)造低成本的RFID標(biāo)簽的關(guān)鍵在于降低天線的成本。隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,標(biāo)簽天線的成本還有望大幅降低[15]。Rafse公司在大批量生產(chǎn)天線的情況下,利用高速電鍍技術(shù),可以將天線成本控制在1美分左右。另外,還有其他生產(chǎn)低成本天線的創(chuàng)新方法正由Auto-ID中心的其他支持者開發(fā)。要建立技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)應(yīng)用互相促進(jìn)的良性循環(huán),低成本是永恒的發(fā)展方向。

4.2 一體集成化

對(duì)RFID標(biāo)簽來說,采用與芯片相對(duì)獨(dú)立的天線,其優(yōu)點(diǎn)是天線Q(品質(zhì)因素)值較高、易于制造;缺點(diǎn)是體積較大、使用受限。若能將天線集成在標(biāo)簽芯片上,則會(huì)使整個(gè)標(biāo)簽體積更小、使用更方便。由此,將標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片集成在一起,成為了RFID標(biāo)簽天線技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。在業(yè)界,此技術(shù)又稱之為片上天線技術(shù)。

4.3 智能化

RFID智能標(biāo)簽已見報(bào)道[16],主要通過生成的識(shí)別碼來保證每一個(gè)標(biāo)簽的唯一性。OMRON開發(fā)了一種新型的天線技術(shù),可以直接控制讀寫器發(fā)射出來的電磁波束的方向,這樣就可以避開環(huán)境或阻擋物的影響,以達(dá)到最好的效果[17]。近年來,RHD智能平臺(tái)(smart table)天線等領(lǐng)域的研究也日漸受到重視[18] 。可以預(yù)見,標(biāo)簽中采用智能天線技術(shù)也必將成為發(fā)展的重要方向之一。

5 結(jié)束語

RFID標(biāo)簽天線技術(shù)已涉及天線設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、電磁兼容技術(shù)以及封裝技術(shù)等專業(yè)領(lǐng)域,使RFID標(biāo)簽低成本、小型化、多功能、智能化及環(huán)保性得到了有力的支持。新型天線結(jié)構(gòu)和新材料的應(yīng)用使標(biāo)簽天線技術(shù)得到了較大的提升,同時(shí)也促進(jìn)了RFID技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

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[18]Cai A. High frequency RFID smart table antenna[J]. Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(9).★

【作者簡(jiǎn)介】

陳宏山:碩士,主要從事移動(dòng)通信天線的研究及測(cè)量工作。

何平:高級(jí)工程師,主要從事無線通信工程設(shè)計(jì)與建設(shè)工作。