RFID標簽天線的研究及熱點分析

周鵬飛

（安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽 淮南 232000）

1 RFID技術(shù)原理及其分類

RFID系統(tǒng)的基本工作原理是:標簽進入讀寫器發(fā)射射頻場后,將天線獲得的感應電流經(jīng)升壓電路后作為芯片的電源,同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路變?yōu)閿?shù)字信號送入邏輯控制電路進行處理,需要回復的信息則從標簽存儲器發(fā)出,經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發(fā)回讀寫器。

天線處于RFID讀寫器系統(tǒng)的最前端，是其重要組成部分。從RFID技術(shù)原理上看,RFID標簽性能的關鍵在于RFID標簽天線的特點和性能。按RFID標簽芯片的供電方式來分,RFID標簽天線可以分為有源天線和無源天線。從RFID系統(tǒng)工作頻段來分,LF、HF段的電磁能量的傳送是在感應場區(qū)域(似穩(wěn)場)中完成,也稱為磁場感應耦合系統(tǒng)；UHF段的電磁能量的傳送是在遠場區(qū)域 (輻射場)中完成,也稱為微波輻射系統(tǒng)。

由于兩種系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳送方式不同,對應的RFID標簽天線及前端部分存在各自特殊性,因此標簽天線分為近場感應線圈天線和遠場輻射天線。感應耦合系統(tǒng)使用的是近場感應線圈天線，由多匝電感線圈組成,電感線圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量；微波輻射系統(tǒng)使用的遠場輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線,遠場輻射天線通常是諧振式的[2]，一般取半波長。

2 磁場耦合式天線概述及主要影響參數(shù)

磁場耦合式天線是低頻和高頻頻段RFID應用中廣泛采用的天線形式，其基本形式是由線圈繞制而成。工業(yè)上存在多種制作方法，或用金屬線繞制，或在介質(zhì)板上印刷而成[4]，當交變電流在線圈中流動時，就會在線圈周圍產(chǎn)生很強的磁場，磁場穿過線圈的橫截面和線圈周圍空間，由于電磁波的波長比讀寫器和標簽之間的距離大得多，可以把讀寫器與傳感器之間的電磁場簡化為交變磁場來研究，讀寫器就是通過磁場耦合的方式與標簽通信的。下面結(jié)合磁場耦合式天線來分析在其設計過程中所要關注的幾個參數(shù)。

2.1 線圈的電感L

天線線圈的電感L是設計主要關心的參數(shù)，要想使天線獲得較大的電流，通常將天線線圈L、電容器C和電阻R串聯(lián)在一起，組成串聯(lián)諧振電路，因此在設計時必須確定線圈的電感值L，然后根據(jù)諧振頻率求得所要求的電容C，計算公式如下：

標簽和讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是f。當要求標簽天線線圈外形很小,面積小,且需一定的工作距離,RFID標簽與讀寫器間的天線線圈互感量(M)就明顯不能滿足實際需求,可以在標簽天線線圈內(nèi)部插入具有高導磁率(μ)的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補償線圈橫截面小的問題[5]。

2.2 線圈天線的Q值

線圈天線的性能與線圈的Q值具有很大的關系，一般來說，線圈的Q值越高，諧振電流就越大，周圍的場強也就越強，由此改善標簽的功率傳輸特性。另一方面，線圈天線的帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比，過高的品質(zhì)因數(shù)會導致帶寬縮小從而明顯降低標簽收到的調(diào)制邊帶。許多系統(tǒng)給出Q=10-30為最佳的品質(zhì)因數(shù)值，事實上品質(zhì)因數(shù)取決于所需的帶寬和調(diào)制的方法，需要根據(jù)具體的應用以達到最佳的效果。

3 13.56MHz天線的研究

根據(jù)上面的對線圈天線的性能與Q值關系的分析，下圖給出了一款13.56MHz天線的品質(zhì)因數(shù)與調(diào)制帶寬關系的示意圖。

圖1 天線的帶通特性與Q值的關系圖

近距離讀寫器天線多在PCB上腐蝕而成，線圈天線一般由印刷線圈和匹配電路構(gòu)成。線圈天線的原理圖如下：

圖2 讀寫器的線圈天線原理圖

L為印刷線圈電感，尺寸大約為50mm×60mm；VC1、VC2、C1、C2為匹配電容，其作用是將天線的輸入阻抗設計為50Ω，其作用的輸出阻抗相匹配。R1、R2為外加阻尼電阻，與天線線圈的損耗電阻一起，使天線電感線圈的Q值在要求范圍內(nèi)。元器件的值是在線圈電感L和Rs已測定的情況下計算出來的，假定C1、VC1的并聯(lián)值為 C10；C2、VC2的并聯(lián)值為C20；R1、R2的并聯(lián)值為 Ra；則有：

13.56 MHz標簽天線的實現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)已成熟，廣泛地應用在身份識別、貨物標簽、電子門票等RFID系統(tǒng)中。在2005中國上海ATP網(wǎng)球大師賽中首次使用了RFID智能電子門票，含有RFID標簽的門票與RFID讀寫器天線就是通過工作在13.56MHz的空中接口協(xié)議建立通信應答。但就其應用現(xiàn)狀來說，該頻段傳輸距離不夠長而限制了閱讀器和RFID標簽間的傳輸距離，這樣在天線線圈的中間出現(xiàn)了閱讀盲區(qū)，即在天線的中央出現(xiàn)了磁通洞，使得若干標簽不能有效地被讀取。對于此現(xiàn)象，設計上采用多個覆蓋較小區(qū)域的線圈的串并組合來構(gòu)成一個覆蓋較大區(qū)域的天線線圈，采用這樣的閱讀器天線不僅可以使閱讀器具有閱讀較大平面區(qū)域標簽的能力，還使閱讀器具有閱讀立體空間標簽的能力[3]。而跨越UHF頻段的最大問題是絕大多數(shù)的RFID系統(tǒng)和標簽供應商，其設備無法支援UHF頻段。因此，各公司、自動識別中心與國際標準組織都正致力于制定射頻識別標簽的標準，以求所有的標簽能與任何讀取機相容。

4 RFID標簽天線的熱點問題

在RFID標簽天線的設計中,除了一直很受重視的減小物理尺寸問題,進一步改善小型化后的天線帶寬和增益特性以擴展其實際應用范圍,分析小型化天線的交叉極化特性以明確其極化純度也是重要的研究方向,另外,覆蓋各種頻率的復合天線設計,多標簽天線優(yōu)化分布技術(shù),讀寫器智能波束掃描天線陣技術(shù),設計仿真軟件和平臺,標簽天線和附著介質(zhì)匹配技術(shù),一致性抗干擾性和安全可靠性技術(shù)等都是值得繼續(xù)研究的內(nèi)容。其中,片上天線技術(shù)是近期研究的熱點問題。RFID技術(shù)應用領域的不斷擴展,使RFID標簽對小型化、輕量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不斷提高。

[1]金穎妮，鄭正奇等.RFID標簽天線的研究現(xiàn)狀和熱點問題探討.電信科學，2008年第8期

[2]朱 軼，王剛等.13.56MHz RFID閱讀器天線的設計.微波學報.2008年10月

[3]林啟水.RFID標簽天線的三種制作方法.印制電子.2010年

[4]寧煥生，張彥.RFID與物聯(lián)網(wǎng).電子工業(yè)出版社.2008年4月