RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)

劉宏浩

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）開(kāi)始在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。天線作為RFID系統(tǒng)中的重要組成部分，一直是相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。本文從RFID系統(tǒng)的構(gòu)成及其基本原理出發(fā)，分析了RFID系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化的閱讀器圓極化天線。本文設(shè)計(jì)的圓極化閱讀器天線滿足實(shí)際應(yīng)用要求，在各應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵字：RFID系統(tǒng)；圓極化天線；標(biāo)簽；讀寫器

0前言

RFID（Radio Frequency Identification）是指射頻識(shí)別技術(shù)，屬于自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，與傳統(tǒng)的條形碼等自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)相比，RFID 技術(shù)可以很容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀寫入，對(duì)定向性并無(wú)要求，識(shí)別過(guò)程中無(wú)需保持目標(biāo)可見(jiàn)，甚至可以透過(guò)障礙物對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，這決定了RFID系統(tǒng)可以很好地適應(yīng)惡劣的環(huán)境。RFID技術(shù)還具備多個(gè)電子標(biāo)簽的并行處理能力，信息容量大，通過(guò)RFID標(biāo)簽即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行物理定位。因此，RFID技術(shù)在工業(yè)、商業(yè)、交通、物流、安保等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 RFID系統(tǒng)的構(gòu)成及其基本原理

典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三個(gè)部分組成。讀寫器主要包括天線和讀寫器芯片兩部分。電子標(biāo)簽需要附著于待識(shí)別的物品上，每個(gè)電子標(biāo)簽都含有唯一的識(shí)別碼。天線是一種可以把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波變換成在自由空間中傳播的電磁波的變換器，它是無(wú)線電設(shè)備中用于收發(fā)電磁波的部件。RFID系統(tǒng)的天線必須在特定的頻率和帶寬條件下才能正常工作。RFID系統(tǒng)的讀寫器天線需要進(jìn)行極化處理，例如最常用的圓極化。讀寫器芯片收到射頻信號(hào)后首先要經(jīng)過(guò)放大處理，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)才能解析出標(biāo)簽內(nèi)的信息。相反，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以將等發(fā)送的信息寫入標(biāo)簽，經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制由讀寫器天線發(fā)射出去。

2 RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)理論

2.1設(shè)計(jì)難點(diǎn)

與其它無(wú)線傳輸系統(tǒng)的天線相比，射頻識(shí)別系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)具有一定的特點(diǎn)和難點(diǎn)。標(biāo)簽天線接收到射頻信號(hào)后，通常需要經(jīng)過(guò)阻抗匹配處理才能完成信號(hào)的傳輸。讀寫器天線還要求低剖面、小型化、多頻段，甚至需要使用多天線技術(shù)或智能波束掃描天線陣技術(shù)。另外，每個(gè)國(guó)家和地區(qū)可使用的 RFID頻段是非常有限的，設(shè)計(jì)過(guò)程中還要滿足阻抗帶寬、軸比帶寬、天線的增益等性能指標(biāo)，因此RFID系統(tǒng)天線的拓展成了一個(gè)重要的設(shè)計(jì)難題。

2.2讀寫器天線

天線是射頻系統(tǒng)的讀寫器發(fā)射能量的設(shè)備，能量以電磁場(chǎng)的形式對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別?？梢哉J(rèn)為，讀寫器天線發(fā)射的電磁場(chǎng)范圍就是射頻系統(tǒng)的識(shí)別范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，讀寫器天線的設(shè)計(jì)和選擇應(yīng)遵守天線線圈大、阻抗匹配、足夠帶寬等原則。讀寫器天線的主要性能指標(biāo)包括工作頻率、頻帶寬度、方向性增益、極化方向、波瓣寬度等。工作頻率和頻帶寬度要能夠符合射頻識(shí)別系統(tǒng)的頻率范圍要求。天線的極化方向多采用圓極化方式，因?yàn)閳A極化方式可以使能量分布于所有方向，以提高系統(tǒng)的識(shí)別能力，降低系統(tǒng)對(duì)標(biāo)簽方位的敏感度。一般來(lái)說(shuō)，波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)，但同時(shí)覆蓋范圍就越小，反之亦然。

2.3標(biāo)簽天線

目前大部分RFID系統(tǒng)都屬于被動(dòng)式標(biāo)簽射頻識(shí)別系統(tǒng)，通?？梢愿鶕?jù)工作頻段的不同而分為兩種工作模式：一種是感應(yīng)耦合工作模式，也稱為近場(chǎng)工作模式。近場(chǎng)工作模式是低頻和高頻RFID系統(tǒng)的主要工作模式；另一種是反向散射工作模式，也稱為遠(yuǎn)場(chǎng)工作模式。遠(yuǎn)場(chǎng)工作模式是超高頻和微波RFID系統(tǒng)的主要工作模式。在被動(dòng)式標(biāo)簽天線射頻識(shí)別系統(tǒng)中，由于工藝的原因，電子標(biāo)簽檢測(cè)電路集成過(guò)程將引入一定的分布式電容。電子標(biāo)簽芯片的輸出阻抗一般為容性阻抗，為了達(dá)到能量的最大傳遞，通常將天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)為標(biāo)簽芯片阻抗的共軛。另一種解決方案是通過(guò)在低頻和高頻的射頻識(shí)別系統(tǒng)中的被動(dòng)標(biāo)簽天線中加入線圈，人為地引入感抗以抵消芯片中的容抗。

3讀寫器圓極化天線設(shè)計(jì)

在RFID應(yīng)用中，讀寫器天線必須滿足圓極化、寬帶和高增益等要求。讀寫器天線結(jié)構(gòu)如圖2所示，天線主要由一個(gè)切角方形貼片、一個(gè)小的矩形貼片、還有一個(gè)L型地面構(gòu)成，貼片構(gòu)造在一個(gè)0.8mm的FR4板上，下面是厚度為33mm的空氣介質(zhì)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單層的直接饋電寬帶圓極化讀寫器天線，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)天線的結(jié)構(gòu)。

圖2 讀寫器天線結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果表明，駐波比小于1.5的帶寬完全覆蓋了840-960MHz整個(gè)UHF RFID頻段，天線增益在UHF RFID頻段之間基本在8dBi左右，滿足了讀寫器天線對(duì)增益的要求。軸比小于3的帶寬也完全覆蓋了整個(gè)UHFRFID頻段，該天線主要是由方形切角貼片產(chǎn)生圓極化波，小的寄生貼片來(lái)拓展軸比和阻抗帶寬的。方形貼片是整個(gè)天線的主輻射體，改變方形貼片的尺寸可以有效的調(diào)整軸比和阻抗帶寬的位置，增加L1可以使得軸比和阻抗帶寬向低頻方向轉(zhuǎn)移，反之會(huì)向高頻方向轉(zhuǎn)移。

4結(jié)語(yǔ)

RFID系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)空間。由于天線設(shè)計(jì)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、體積重量、實(shí)現(xiàn)方式、帶寬特性、方向圖特性、極化特性等因素，天線的設(shè)計(jì)也一直受到了相關(guān)領(lǐng)域人員的高度重視。近年來(lái)，超高頻（840-960MHz）射頻識(shí)別技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工程領(lǐng)域，該技術(shù)比普通RFID具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、可穿透非金屬材料、運(yùn)用范圍廣等新特點(diǎn)，將成為未來(lái)RFID的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

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