RFID 系統(tǒng)的標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用綜述

張徐之,李 康,王 芳,趙維巍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) Sauvage 智能材料實(shí)驗(yàn)室 深圳市柔性印刷電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳 518055)

RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識(shí)別技術(shù),起源于第二次世界大戰(zhàn)中英國(guó)空軍設(shè)計(jì)的敵我識(shí)別系統(tǒng)。1948 年,美國(guó)科學(xué)家Stockman[1]研發(fā)了一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的全新傳輸系統(tǒng),提出了反射功率通信的基本理論。Richardson[2]在1963 年發(fā)表了遠(yuǎn)程激活射頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備的專(zhuān)利,為無(wú)源RFID 電子標(biāo)簽的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。1967 年,Vinding[3]設(shè)計(jì)了問(wèn)答器識(shí)別系統(tǒng),RFID 的工作模式被正式建立,RFID 系統(tǒng)開(kāi)始得到廣泛研究。20 世紀(jì)80 年代,隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,RFID 技術(shù)研發(fā)也走向了一個(gè)全新的階段。單芯片集成電路的實(shí)現(xiàn)使RFID 系統(tǒng)趨于小型化,為RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用提供了可能性。到21 世紀(jì),RFID標(biāo)簽開(kāi)始投入工業(yè)生產(chǎn),在各個(gè)場(chǎng)合被廣泛使用。RFID 系統(tǒng)通過(guò)天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)在標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間傳遞,在開(kāi)發(fā)低成本、智能化和應(yīng)用特定的管理系統(tǒng)方面有一定優(yōu)勢(shì)[4]。RFID 系統(tǒng)的部署有助于降低勞動(dòng)力成本和提高工作場(chǎng)所的生產(chǎn)率,現(xiàn)已在物流、醫(yī)療保健、交通、制藥行業(yè)[5]等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用,RFID 技術(shù)的研究與普及對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。

天線(xiàn)、芯片和讀寫(xiě)器是射頻識(shí)別系統(tǒng)的主要組成部分,射頻信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)在標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間進(jìn)行傳輸。標(biāo)簽由天線(xiàn)和IC 芯片組成,服務(wù)于特定的應(yīng)用。RFID 系統(tǒng)中,天線(xiàn)是通信的橋梁紐帶。RFID 標(biāo)簽與周?chē)h(huán)境之間的無(wú)線(xiàn)通信線(xiàn)路的效率和可靠性直接取決于天線(xiàn)[6],同時(shí),RFID 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)更多集中在標(biāo)簽天線(xiàn),尤其是天線(xiàn)線(xiàn)路設(shè)計(jì)上。對(duì)于應(yīng)用于個(gè)性化、小規(guī)?；ㄖ频奶厥鈭?chǎng)景的RFID 標(biāo)簽而言,天線(xiàn)設(shè)計(jì)尤為重要。超高頻RFID 的天線(xiàn)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足天線(xiàn)小型化、低成本、寬頻帶等要求。然而,為了匹配芯片阻抗,使用附加的集總元件通常會(huì)使設(shè)計(jì)變得龐大[7],因此需要探索新的匹配技術(shù),使電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)更緊湊。當(dāng)天線(xiàn)的幾何形狀設(shè)計(jì)使天線(xiàn)尺寸因子成功減小時(shí),天線(xiàn)的輻射效率會(huì)受到一定影響而降低,也就是說(shuō),研究者們總是難以在減小天線(xiàn)尺寸的同時(shí)保證天線(xiàn)性能。因此,如何通過(guò)新型的匹配技術(shù)和采用減小天線(xiàn)尺寸的新策略來(lái)為特定應(yīng)用場(chǎng)合下的電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)合適的天線(xiàn)變得更加重要,合理的天線(xiàn)電路設(shè)計(jì)成為了RFID 標(biāo)簽中的研究重點(diǎn)。為此,本文對(duì)近年來(lái)RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用情況及研究進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研,對(duì)天線(xiàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)和基本方法進(jìn)行了概述,并總結(jié)了現(xiàn)有天線(xiàn)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)及部分解決方案,展望了RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景。

1 RFID 應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

RFID 技術(shù)是一種效率極高的信息采集方式,將RFID 與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái),可最大化地利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍的信息跟蹤[8]。除此之外,RFID 電子標(biāo)簽的高耐久性與抗污染能力[9]也進(jìn)一步加強(qiáng)了其在應(yīng)用市場(chǎng)上的潛力。RFID 系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景其結(jié)構(gòu)組成會(huì)有所不同[10],但標(biāo)簽天線(xiàn)始終是一個(gè)成功的RFID 系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一[11],是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中重要的一環(huán),在RFID 系統(tǒng)中作為輻射或接收無(wú)線(xiàn)電波的裝置起關(guān)鍵作用。典型的RFID 系統(tǒng)工作原理如圖1 所示,天線(xiàn)在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào),天線(xiàn)是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置,通過(guò)電感耦合或電磁反向散射耦合原理和讀寫(xiě)器進(jìn)行通信。

圖1 RFID 系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of the RFID system

根據(jù)所應(yīng)用的不同頻段,射頻標(biāo)簽天線(xiàn)可分為低頻、高頻、超高頻以及微波頻段四種類(lèi)型。我國(guó)RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,低頻RFID 系統(tǒng)的主要工作頻率為125 kHz 或134 kHz,應(yīng)用于近距離識(shí)別,識(shí)讀距離小于10 cm,傳輸信息量低,不能同時(shí)進(jìn)行多標(biāo)簽識(shí)別,可應(yīng)用在食堂飯卡等短距離應(yīng)用場(chǎng)景;高頻RFID 系統(tǒng)主要工作頻率為13.54 MHz,屬于近場(chǎng)RFID 技術(shù),識(shí)別距離為10 cm～1 m。高頻RFID 與低頻RFID 相比雖然讀取距離相差不大,但傳輸速度更快,存儲(chǔ)容量更高,且可進(jìn)行多標(biāo)簽識(shí)別,讀寫(xiě)器與標(biāo)簽交互過(guò)程中受外界影響小[12],主要應(yīng)用于門(mén)禁控制、電子付費(fèi)等領(lǐng)域;超高頻RFID 系統(tǒng)的工作頻率范圍為860～960 MHz,采用的工作方式為電磁反向散射耦合[13],識(shí)讀距離一般為3～8 m,信息數(shù)據(jù)傳送速率快,可同時(shí)進(jìn)行大量標(biāo)簽的識(shí)讀,一般可應(yīng)用于物流管理等領(lǐng)域;微波RFID 系統(tǒng)的主要工作頻率為2.45 GHz 或5.8 GHz,識(shí)讀距離大于10 m,對(duì)環(huán)境的敏感度較高,可應(yīng)用于ETC、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)等領(lǐng)域。以下將具體介紹RFID 技術(shù)的典型應(yīng)用與研究現(xiàn)狀。

1.1 RFID 技術(shù)典型應(yīng)用

由于RFID 技術(shù)具有不受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與空間環(huán)境限制的特點(diǎn),其一經(jīng)問(wèn)世便引起了多個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,典型應(yīng)用有:

(1)物流。在物流運(yùn)輸管理中,電子標(biāo)簽技術(shù)取代了大量人工作業(yè),大大提高了自動(dòng)化水平和管理效率;

(2)身份識(shí)別。由于RFID 技術(shù)讀取信息的速度極快,準(zhǔn)確性高且具有防偽性質(zhì),多個(gè)國(guó)家將其應(yīng)用于身份識(shí)別證件;

(3)供應(yīng)鏈管理。RFID 技術(shù)可應(yīng)用于零售業(yè),用于貨物的無(wú)線(xiàn)識(shí)別和跟蹤,如圖2 所示,可降低人力成本,減少出錯(cuò)率;

圖2 超市中用于跟蹤識(shí)別貨物的RFID 系統(tǒng)Fig.2 A RFID system for tracking and identifying goods in a supermarket

(4)自動(dòng)生產(chǎn)。RFID 系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的裝配流水線(xiàn)[14],通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)[15]。

(5)圖書(shū)管理。圖書(shū)管理系統(tǒng)采用RFID 技術(shù),具有可移動(dòng)、靈活性較大的特點(diǎn),可以簡(jiǎn)化圖書(shū)管理流程,極大地提高圖書(shū)管理效率,滿(mǎn)足圖書(shū)高效、快速的流通需求[16],促進(jìn)圖書(shū)管理的現(xiàn)代化、智能化。最大的電子圖書(shū)館西雅圖公共圖書(shū)館啟用了由TAGSYS開(kāi)發(fā)的UHF RFID 系統(tǒng),如圖3 所示,該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢查圖書(shū)的收集情況[17]。

圖3 圖書(shū)館中用于搜索標(biāo)記圖書(shū)的RFID 系統(tǒng)Fig.3 A RFID system for searching and marking books in a library

除此之外,RFID 技術(shù)也在食品[18]、防偽和安全控制[19]、生物傳感[20]、醫(yī)療[21]、溫度傳感器[22]、交通[23]、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。可以看出,RFID 技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿?未來(lái)的應(yīng)用市場(chǎng)將極為廣闊。

1.2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi),歐美的RFID 技術(shù)處于世界領(lǐng)先行列,擁有比較成熟的天線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。相較而言,我國(guó)的RFID 技術(shù)略為落后,雖然在技術(shù)門(mén)檻較低的低頻、高頻RFID 方面具有一定競(jìng)爭(zhēng)力,但在如今應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的超高頻RFID 方面卻缺乏核心技術(shù)。

天線(xiàn)和芯片是RFID 系統(tǒng)的重要部件,但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)還是更多集中在標(biāo)簽天線(xiàn),尤其是天線(xiàn)電路設(shè)計(jì)上。超高頻RFID 的天線(xiàn)設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足天線(xiàn)小型化、低成本、寬頻帶等要求,而標(biāo)簽天線(xiàn)已經(jīng)成為了RFID 系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)小型化過(guò)程中的一個(gè)阻礙,當(dāng)工作頻率上升到超高頻頻段時(shí),無(wú)源RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)也變得更加復(fù)雜和關(guān)鍵。在RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中,天線(xiàn)小型化問(wèn)題始終是研究重點(diǎn)之一。同時(shí),天線(xiàn)小型化后的增益和帶寬特性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。除此之外,標(biāo)簽天線(xiàn)研究的熱點(diǎn)還包括阻抗匹配技術(shù)、抗金屬天線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)、多頻寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)、天線(xiàn)優(yōu)化分布技術(shù)、天線(xiàn)抗干擾性與一致性技術(shù)[24]等。

近年來(lái),研究學(xué)者們提出了多種新型的RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)減小尺寸:為了滿(mǎn)足軍事和商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,近年來(lái)對(duì)小型、緊湊天線(xiàn)的需求大幅增加。

微帶貼片式天線(xiàn)因饋電方式多樣化以及饋電網(wǎng)絡(luò)集成化等特點(diǎn)在印刷天線(xiàn)中占據(jù)了重要的地位,但由于其諧振頻率是由貼片腔的主導(dǎo)模態(tài)決定的,因此微帶貼片天線(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)小型化。盡管如此,研究者們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作,為實(shí)現(xiàn)貼片天線(xiàn)小型化提供了一些新的思路。1995 年,Waterhouse 等[25]使用短路引腳從貼片中心將電壓零點(diǎn)移開(kāi),而短路元件與空載狀態(tài)下貼片電壓為零的相對(duì)位置決定了天線(xiàn)小型化的程度。當(dāng)短路元件放置在貼片邊緣時(shí),可實(shí)現(xiàn)電壓零點(diǎn)的最大偏移。從而可減小60%的天線(xiàn)橫向尺寸。2002年Gianvittorio 等[26]通過(guò)在輻射貼片上放置狹槽和對(duì)輻射邊緣進(jìn)行分形化來(lái)增加天線(xiàn)電流路徑的長(zhǎng)度,從而降低了天線(xiàn)的諧振頻率。擴(kuò)展的電流路徑的長(zhǎng)度決定了天線(xiàn)的小型化的實(shí)現(xiàn)程度,一般可縮減38%的天線(xiàn)尺寸。在垂直方向上,也可通過(guò)對(duì)貼片的折疊來(lái)實(shí)現(xiàn)貼片橫向尺寸的降低,但當(dāng)貼片為多層結(jié)構(gòu)時(shí),為了保證天線(xiàn)的整體體積保持不變,天線(xiàn)的厚度將會(huì)增加。微帶貼片天線(xiàn)也可以通過(guò)使用高介電常數(shù)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化。當(dāng)加載相對(duì)介電常數(shù)為εr的空貼片腔時(shí),其諧振頻率的降低正比于。因此高介電常數(shù)材料相對(duì)普通材料而言更適合用于制備尺寸大幅減小的天線(xiàn),但其成本較高,不適合于天線(xiàn)的量產(chǎn)。2012 年,Ouedraogo 等[27]介紹了一種新的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)在傳統(tǒng)的微帶貼片結(jié)構(gòu)與地平面之間增加一個(gè)包含互補(bǔ)分裂環(huán)諧振器的單層,可以在保持阻抗匹配和場(chǎng)模式結(jié)構(gòu)的同時(shí),大大減小天線(xiàn)的尺寸,最高可減小75%。雖然天線(xiàn)小型化程度的提高會(huì)導(dǎo)致部分帶寬的損失和輻射效率的降低,但是研究中發(fā)現(xiàn)帶寬和輻射效率的降低處于可接受的范圍內(nèi)。

(2)增加頻帶寬度:新型人工材料如高阻抗表面、反應(yīng)性阻抗表面、磁介質(zhì)和超材料的出現(xiàn),在實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)微型化的同時(shí),還可實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)帶寬的拓寬。2007年,Mosallaei 等[28]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)性阻抗表面可以在縮小天線(xiàn)尺寸的同時(shí)增加貼片天線(xiàn)的帶寬。2016 年,He等[29]使用超材料設(shè)計(jì)的微帶貼片天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶工作的良好性能。Aziz 等[30]在2012 年通過(guò)對(duì)圓形貼片天線(xiàn)由無(wú)槽到增加雙槽時(shí)的帶寬進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)雙槽技術(shù)可以將天線(xiàn)帶寬從30.3 MHz 提高到32.66 MHz,提高了近7.78%。

(3)阻抗匹配:天線(xiàn)在與芯片共軛匹配時(shí)能使輸出功率最大化,同時(shí),共軛匹配要求超高頻輻射片輸入電阻小,輸入電感電抗大。2013 年,Alhawari 等[31]為了提高RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的性能,提出了一種新的電感耦合饋電技術(shù)。標(biāo)簽天線(xiàn)由兩個(gè)U 形饋電結(jié)構(gòu)和一個(gè)位于材料基板上表面的輻射偶極體組成。集成電路芯片端角直接與兩個(gè)相反的U 形結(jié)構(gòu)的中心連接,通過(guò)感應(yīng)耦合與天線(xiàn)進(jìn)行通信。其中,U 形饋電結(jié)構(gòu)為輻射偶極子天線(xiàn)提供了等效電感,由此可對(duì)電感耦合強(qiáng)度進(jìn)行靈活調(diào)整,為天線(xiàn)阻抗與芯片阻抗的有效匹配提供了簡(jiǎn)單的解決方案。2016 年,Gao 等[32]在超高頻RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中采用了T 型匹配與分流饋電技術(shù)來(lái)獲得規(guī)定的輸入阻抗。2019 年,Bansal 等[7]采用了一種電感耦合天線(xiàn)的螺旋環(huán)形饋電方式來(lái)保證超高頻下標(biāo)簽天線(xiàn)與芯片之間的共軛阻抗匹配。天線(xiàn)包括具有彎曲結(jié)構(gòu)的輻射元件和印刷在接收基板上的螺旋形匹配回路。標(biāo)簽的電抗主要取決于螺旋回路的尺寸,螺旋形匹配回路被電感耦合到天線(xiàn)上,通過(guò)對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行尺寸調(diào)整可以很容易地實(shí)現(xiàn)與芯片阻抗的匹配,從而在諧振頻率下最大限度地實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的功率傳輸。同時(shí)還可將彎曲的輻射元件耦合到回路中,以提高其輻射效率。他們所提出的標(biāo)簽天線(xiàn)在體積尺寸、增益和帶寬方面也都有較好的整體性能,適用于超高頻范圍的RFID 應(yīng)用。

為了使天線(xiàn)與不同的芯片阻抗進(jìn)行匹配,一般需要進(jìn)行天線(xiàn)的重新設(shè)計(jì)。而2012 年,Tang 等[33]提出了一種基于雙蟹形貼片和微帶偶極子的新型寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu),該天線(xiàn)可直接在金屬板或其他物體上進(jìn)行集成,并實(shí)現(xiàn)與不同超高頻RFID 芯片的匹配。此類(lèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行再設(shè)計(jì)就可用于不同RFID芯片的使用。小的微帶偶極子直接貼附在雙蟹形貼片上實(shí)現(xiàn)電路連接,可以使微帶天線(xiàn)帶寬得到有效提高。芯片通過(guò)兩個(gè)小型的微帶端口與偶極子相連接。此外,通過(guò)調(diào)整偶極子的寬度或偶極子到天線(xiàn)中心的距離可對(duì)天線(xiàn)阻抗進(jìn)行改動(dòng),以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線(xiàn)與不同的超高頻RFID 芯片的有效匹配。結(jié)果表明,該標(biāo)簽天線(xiàn)具有較高的增益和良好的輻射性能。

(4)提高增益:傳統(tǒng)的微帶天線(xiàn)存在帶寬窄、增益低的問(wèn)題。Balanis[34]提出了一種陷波技術(shù),可降低微帶貼片天線(xiàn)的回波損耗并提高其增益性能。2010年,Azad 等[35]為了提高天線(xiàn)的增益,提出了一種新型的單饋電正交線(xiàn)極化可調(diào)微帶陣列天線(xiàn)。基于寄生陣列技術(shù)的結(jié)構(gòu)用于增益增強(qiáng)。天線(xiàn)由一個(gè)正方形饋電貼片、四個(gè)寄生貼片和四個(gè)開(kāi)關(guān)二極管組成。四個(gè)開(kāi)關(guān)二極管加載在饋電片的角上,通過(guò)通孔安裝在饋電片與地平面之間,以控制表面電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,四個(gè)寄生貼片圍繞饋電元件的布置可對(duì)增益實(shí)現(xiàn)明顯增強(qiáng),使天線(xiàn)增益達(dá)到12 dB。

2 標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法

2.1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)原則

2.1.1 阻抗匹配

RFID 電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線(xiàn)和芯片組成,在進(jìn)行標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)時(shí),先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選取性能指標(biāo)符合要求的芯片,再根據(jù)芯片阻抗值進(jìn)行天線(xiàn)設(shè)計(jì),同時(shí)為了保證天線(xiàn)的高傳輸效率,要盡可能地根據(jù)具體場(chǎng)合中的應(yīng)用頻率值進(jìn)行天線(xiàn)形狀設(shè)計(jì),使天線(xiàn)與芯片的阻抗能滿(mǎn)足共軛匹配。由于天線(xiàn)需要滿(mǎn)足小型化和低成本的需求,在標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)設(shè)計(jì)額外的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與天線(xiàn)的共軛匹配的方法是不可取的,應(yīng)該直接設(shè)計(jì)天線(xiàn)的形狀與結(jié)構(gòu)來(lái)使天線(xiàn)阻抗值與芯片的共軛匹配。無(wú)源電子標(biāo)簽天線(xiàn)與芯片接口處的匹配十分關(guān)鍵[36],其等效電路圖如圖4 所示。

圖4 RFID 無(wú)源標(biāo)簽等效電路Fig.4 Equivalent circuit of RFID passive tags

信號(hào)源阻抗為ZG(ZG=RG+jXG),其共軛阻抗為,天線(xiàn)負(fù)載阻抗為ZL,傳輸線(xiàn)特征阻抗為Z0(設(shè)傳輸線(xiàn)無(wú)損耗),輸入阻抗為Zin(Zin=Rin+jXin)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可得負(fù)載功率為[37]:

假設(shè)源阻抗ZG恒定,改變輸入阻抗Zin,為了得到最大功率P,對(duì)Zin的實(shí)部和虛部進(jìn)行微分:

求解式(2)和(3)可得:

求解式(4)和(5)可得:Rin=RG,Xin=-XG,Zin=。

結(jié)果表明電子標(biāo)簽與天線(xiàn)之間阻抗關(guān)系為共軛匹配,對(duì)于固定的源阻抗,在此條件下可使負(fù)載得到最大功率,代入式(1)可得最大功率值為:

由式(4)和(5)得出的結(jié)果及式(6)可看出,在共軛匹配的條件下,天線(xiàn)能最大化地進(jìn)行能量輸出和接收。一般而言,RFID 系統(tǒng)中標(biāo)簽芯片的阻抗值并不是固定的值,在不同的應(yīng)用環(huán)境與不同的應(yīng)用頻率下,其阻抗是個(gè)相應(yīng)變化值,因此為了得到標(biāo)簽芯片的阻抗值,需要將標(biāo)簽芯片置于目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境下,并根據(jù)此時(shí)在工作頻率下測(cè)得的阻抗值作為標(biāo)簽天線(xiàn)的共軛匹配阻抗。

典型的無(wú)源RFID 標(biāo)簽從根本上依賴(lài)的是天線(xiàn)與特定集成電路芯片標(biāo)簽之間的理想阻抗匹配。理想的匹配可以增加芯片的工作功率,從而使讀取范圍最大化。新的匹配技術(shù)可以使電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)更緊湊,如使用彎曲結(jié)構(gòu)來(lái)減小天線(xiàn)尺寸,這種方法增加了電路的長(zhǎng)度并減小了天線(xiàn)的物理尺寸。標(biāo)簽天線(xiàn)通常采用電感耦合饋電和T 型匹配實(shí)現(xiàn)等效電感,以抵消芯片阻抗的電容性電抗。集成外部匹配網(wǎng)絡(luò)與額外的制造成本不是實(shí)現(xiàn)理想共軛匹配的最優(yōu)解,更新的一種嘗試是將天線(xiàn)直接匹配到芯片上,但這種方法將不得不處理隨頻率變化的標(biāo)簽天線(xiàn)的復(fù)雜阻抗與驅(qū)動(dòng)芯片的輸入功率問(wèn)題[31]。另外,標(biāo)簽附著的介質(zhì)、標(biāo)簽貼附的平面反射與標(biāo)簽到讀寫(xiě)器的距離等參數(shù)都會(huì)對(duì)電子標(biāo)簽的性能造成影響。因此,標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)還面臨著眾多挑戰(zhàn),需要一一克服。

2.1.2 設(shè)計(jì)要求

對(duì)印刷型天線(xiàn)而言,天線(xiàn)設(shè)計(jì)尤為重要。天線(xiàn)線(xiàn)條寬度、天線(xiàn)匝數(shù)、天線(xiàn)尺寸與其性能和成本關(guān)系密切。天線(xiàn)越細(xì),電阻越大,對(duì)品質(zhì)因素的影響也就越大,會(huì)對(duì)天線(xiàn)的識(shí)讀距離造成一定影響。但一般而言,天線(xiàn)線(xiàn)條寬度對(duì)性能影響較小。天線(xiàn)匝數(shù)增多會(huì)使其電感增大,在相同電容下天線(xiàn)的諧振頻率降低。而天線(xiàn)尺寸縮小會(huì)影響天線(xiàn)帶寬和輻射效率。同時(shí),由于天線(xiàn)線(xiàn)條寬度、天線(xiàn)匝數(shù)與天線(xiàn)尺寸決定了天線(xiàn)面積,因此其不僅會(huì)對(duì)印刷型天線(xiàn)的性能造成影響,還將對(duì)天線(xiàn)的制造成本產(chǎn)生較大影響。由此可以看出,天線(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)性能與成本的平衡對(duì)印刷型天線(xiàn)而言十分重要。

總體而言,尺寸、成本、阻抗匹配、工作頻帶和讀取距離等都是設(shè)計(jì)RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的重要因素[38]。而RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)常需要在性能和尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。標(biāo)簽天線(xiàn)的電性能取決于它的最大讀取范圍,也就是取決于其增益值[39]。但在天線(xiàn)性能和尺寸要求之間總是存在矛盾。減小天線(xiàn)尺寸會(huì)降低其效率和增益,從而降低天線(xiàn)的最大通信距離。

由于大多數(shù)超高頻RFID 標(biāo)簽必須附著在小物件上,所以超高頻RFID 標(biāo)簽對(duì)天線(xiàn)的幾何尺寸要求更高。因此,當(dāng)工作頻率上升到超高頻頻段時(shí),應(yīng)用最為廣泛的無(wú)源RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜和關(guān)鍵。

超高頻RFID 標(biāo)簽通常要求在小型化的同時(shí)其天線(xiàn)效率和增益也應(yīng)盡可能不受影響。因此研究人員開(kāi)始將各種微型化技術(shù)應(yīng)用于天線(xiàn)設(shè)計(jì)中,如使用高介電常數(shù)材料作為基質(zhì)、加載短路引腳、插入插槽、使用超材料和倒F 配置以及曲流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。同時(shí),為了使RFID 系統(tǒng)滿(mǎn)足廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)的需求,天線(xiàn)帶寬應(yīng)盡可能的寬。因此人們采用了各種帶寬拓寬方法,如降低天線(xiàn)的質(zhì)量因素,采用多貼片、多片結(jié)構(gòu)、微帶天線(xiàn)加載技術(shù)等[40]。然而,盡管上述方法可使天線(xiàn)具有微型化的結(jié)構(gòu)和良好的電磁性能,但在實(shí)際應(yīng)用中仍有很大的局限性[6]。除此之外,天線(xiàn)設(shè)計(jì)還需滿(mǎn)足應(yīng)用和環(huán)境一體化的要求,如金屬兼容性、魯棒性以及可靠的長(zhǎng)距離運(yùn)行[16]。

2.2 標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)流程

RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)的基本流程如下所示:

(1)工作場(chǎng)合的確定。首先應(yīng)確定RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用場(chǎng)合,根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)所對(duì)標(biāo)簽識(shí)讀距離的要求、RFID 標(biāo)簽的工作頻率、標(biāo)簽應(yīng)用場(chǎng)所是否為封閉式、應(yīng)用環(huán)境以及標(biāo)簽附近是否存在金屬干擾等來(lái)選取適當(dāng)?shù)奶炀€(xiàn)形式。

(2)基片材料的選取。確定RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)形式后就應(yīng)選定基片材料,介質(zhì)基片的介質(zhì)損耗因素tanδ、相對(duì)介電常數(shù)εr和厚度h會(huì)對(duì)天線(xiàn)的性能造成直接影響。選擇相對(duì)介電常數(shù)較低或厚度較高的基片材料會(huì)使制得的天線(xiàn)增益較高,頻帶較寬,效率也較高。通常情況下,介質(zhì)基片可取的最大厚度值需滿(mǎn)足其與波長(zhǎng)之間的比值在0.2 附近。當(dāng)選取的介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)較高時(shí),天線(xiàn)的帶寬較窄,但尺寸相對(duì)較小;而當(dāng)選取的介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)較低時(shí),天線(xiàn)的頻帶較寬,但尺寸較大。實(shí)際上很難找到非常理想的介質(zhì)基片,因此基片材料的選取一般是根據(jù)實(shí)際情況而酌情考慮。

(3)天線(xiàn)尺寸要求。根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合確定天線(xiàn)的尺寸范圍。一般當(dāng)天線(xiàn)尺寸減小時(shí),會(huì)造成某些方面的性能下降,但可以通過(guò)對(duì)天線(xiàn)形狀進(jìn)行再設(shè)計(jì),進(jìn)而在滿(mǎn)足使用要求的前提下盡量達(dá)到減小天線(xiàn)尺寸的目標(biāo)。

(4)芯片阻抗的確定。RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)阻抗需要滿(mǎn)足與芯片阻抗的共軛匹配,因此在天線(xiàn)設(shè)計(jì)中需要確定RFID 標(biāo)簽芯片在工作頻率下的阻抗值,再根據(jù)得到的阻抗值進(jìn)行天線(xiàn)形狀設(shè)計(jì)。

(5)天線(xiàn)設(shè)計(jì)仿真。目前天線(xiàn)設(shè)計(jì)仿真軟件有很多,如CST、HFSS(ANSYS/ANSOFT High Frequency Structure Simulator)、Sonnet、XFDTD、FEKO 等。不同軟件所側(cè)重的天線(xiàn)設(shè)計(jì)場(chǎng)景不同,目前應(yīng)用最為廣泛、綜合性能評(píng)價(jià)較好的軟件為HFSS。

使用HFSS 軟件進(jìn)行天線(xiàn)設(shè)計(jì)的流程如圖5 所示。

圖5 HFSS 天線(xiàn)設(shè)計(jì)流程Fig.5 Antenna design process with HFSS

2.3 標(biāo)簽天線(xiàn)的性能測(cè)試

RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)制備完成后需要對(duì)其重要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,以檢測(cè)其性能優(yōu)劣。檢測(cè)方法如下:

(1)方向圖。天線(xiàn)方向圖可通過(guò)兩種方法進(jìn)行測(cè)量,一是在天線(xiàn)輻射遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)并繪制方向圖;二是在條件不足,無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),通過(guò)測(cè)量輻射近場(chǎng)的數(shù)據(jù),間接分析推算出天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)。

(2)增益。天線(xiàn)增益可用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試時(shí)可使用一種天線(xiàn)作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射天線(xiàn),再用另一種標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)和待測(cè)天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),最后通過(guò)接收到的信號(hào)對(duì)比計(jì)算得出天線(xiàn)具體增益值。

(3)阻抗。目前最常用的標(biāo)簽天線(xiàn)阻抗測(cè)試方法有測(cè)量線(xiàn)法、掃頻反射計(jì)法和鏡像法等。測(cè)量線(xiàn)法的精度較高,但每次測(cè)量只能反映一個(gè)頻率上的測(cè)量結(jié)果,不適于寬帶內(nèi)的阻抗測(cè)量。掃頻反射計(jì)法可快速得到頻帶范圍內(nèi)天線(xiàn)的響應(yīng)曲線(xiàn),但設(shè)備復(fù)雜,頻率受限于測(cè)試設(shè)備的工作頻帶[41]。鏡像法主要用于對(duì)稱(chēng)的偶極子標(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗測(cè)量,可通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線(xiàn)的一半進(jìn)行測(cè)量,再推導(dǎo)出整個(gè)標(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗。由Alhawari 等[31]提出的差分探針具有對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),因此被用來(lái)測(cè)量標(biāo)簽天線(xiàn)的特性。天線(xiàn)阻抗測(cè)量設(shè)置如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量是在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行,將差分探針一端連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,另一端焊接到標(biāo)簽天線(xiàn)。

圖6 天線(xiàn)阻抗測(cè)試Fig.6 Antenna impedance test

(4)駐波比。駐波比需要在空曠的室外環(huán)境進(jìn)行測(cè)試,需要保證天線(xiàn)周?chē)鸁o(wú)遮擋物。通過(guò)使用駐波測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

(5)標(biāo)簽讀取距離。RFID 電子標(biāo)簽的讀取距離可通過(guò)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果的對(duì)比可以部分反映標(biāo)簽芯片與天線(xiàn)的匹配程度和封裝情況。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為技術(shù)革新的熱點(diǎn),而RFID 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)的基礎(chǔ),也是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的條形碼以及磁卡而言,RFID 標(biāo)簽具有掃描速度快、安全性高、方便閱讀、重復(fù)性強(qiáng)、良好的環(huán)境適宜能力以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大的優(yōu)點(diǎn),并且其壽命更長(zhǎng)。

RFID 技術(shù)現(xiàn)已大量應(yīng)用于物流運(yùn)輸、醫(yī)療、交通、零售等領(lǐng)域,由于其具有的出色性能,RFID 系統(tǒng)未來(lái)的應(yīng)用市場(chǎng)將極為廣闊。例如,RFID 技術(shù)獨(dú)特的無(wú)線(xiàn)識(shí)別性能使其十分適合應(yīng)用于科研領(lǐng)域內(nèi)的跟蹤類(lèi)實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí),RFID 系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)智能化的管理系統(tǒng)方面具有潛在優(yōu)勢(shì),在大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用與自動(dòng)化管理類(lèi)工業(yè)領(lǐng)域中也具有十分良好的應(yīng)用前景。而在整個(gè)RFID 系統(tǒng)中,射頻標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)和研究的重要性不言而喻,天線(xiàn)設(shè)計(jì)的方法即借助計(jì)算機(jī)電磁仿真軟件進(jìn)行標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

為了滿(mǎn)足更多的市場(chǎng)需求,適應(yīng)于多種應(yīng)用環(huán)境,RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)需要滿(mǎn)足小型化、成本低、寬帶化等特性。研究者們常通過(guò)短路引腳加載、設(shè)計(jì)特殊形狀的補(bǔ)丁以及使用倒F 槽和曲流結(jié)構(gòu)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽天線(xiàn)的小型化,并研制新型的性能優(yōu)越、成本更低的導(dǎo)電油墨或采用將天線(xiàn)直接附著于芯片的新型匹配方法來(lái)降低天線(xiàn)的制造成本。而標(biāo)簽天線(xiàn)寬帶化還可通過(guò)微帶天線(xiàn)加載技術(shù)、降低質(zhì)量因素、采用多片結(jié)構(gòu)等方法實(shí)現(xiàn)。然而,天線(xiàn)的高性能與小尺寸總是難以兼得,大幅減小天線(xiàn)尺寸的同時(shí)會(huì)對(duì)其性能造成不利影響,而注重提高天線(xiàn)性能的同時(shí)又會(huì)使天線(xiàn)尺寸過(guò)于龐大。因此,天線(xiàn)的設(shè)計(jì)還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合,選取適合的形狀設(shè)計(jì),在小體積和優(yōu)良性能之間做好協(xié)調(diào)。RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)未來(lái)面臨的主要挑戰(zhàn)還是在天線(xiàn)小型化與降低成本的同時(shí),實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽性能的穩(wěn)定與優(yōu)化。這些問(wèn)題的解決會(huì)使RFID 系統(tǒng)能更好地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏悠毡榛Ｒ虼?標(biāo)簽天線(xiàn)小型化、阻抗匹配和性能優(yōu)化將會(huì)是RFID 技術(shù)的后續(xù)研究重點(diǎn)。