基于超高頻RFID系統(tǒng)的天線技術(shù)研究

李楠

摘要：在RFID硬件系統(tǒng)中，讀寫距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)，而電子標(biāo)簽和讀寫器天線對(duì)讀寫距離參數(shù)有著非常重要的影響。天線設(shè)計(jì)與選取是超高頻RFID無線射頻識(shí)別硬件系統(tǒng)的重要組成部分，合適的天線是確保RFID系統(tǒng)準(zhǔn)確通信的前提與基礎(chǔ)。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，根據(jù)RFID系統(tǒng)與軟件設(shè)計(jì)所要求的物理參量，設(shè)計(jì)出滿足超高頻RFID系統(tǒng)要求的天線。

關(guān)鍵詞：RFID天線；RFID硬件系統(tǒng)；超高頻；電子標(biāo)簽天線

DOIDOI：10.11907/rjdk.151464

中圖分類號(hào)：TP301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）008004002

0 引言

RFID（無線射頻識(shí)別，Radio Frequency Identification）最早應(yīng)用于第二次世界大戰(zhàn)時(shí)英國空軍戰(zhàn)斗機(jī)的敵我飛機(jī)識(shí)別系統(tǒng)中。近年來，低頻率和高頻率RFID射頻識(shí)別技術(shù)商業(yè)應(yīng)用廣泛，超高頻（840MHz～960MHz）RFID射頻識(shí)別技術(shù)由于射頻距離大、準(zhǔn)確率高，得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 RFID無線識(shí)別技術(shù)及工作原理

RFID硬件系統(tǒng)主要包含RFID電子標(biāo)簽、閱讀器和天線3個(gè)部分。本文RFID的實(shí)際項(xiàng)目中，RFID電子標(biāo)簽粘貼在被識(shí)別服裝布料上，當(dāng)帶有RFID電子標(biāo)簽的被識(shí)別布料進(jìn)入可識(shí)離范圍時(shí)，閱讀器智能讀取RFID電子標(biāo)簽中的信息，完成無線識(shí)別。

閱讀器由閱讀器和天線兩部分組成。閱讀系統(tǒng)將兩者集成在一個(gè)設(shè)備單元模塊中。閱讀器通過閱讀器天線發(fā)送指令給RFID電子標(biāo)簽，并接收RFID電子標(biāo)簽反饋的信息。完成處理信號(hào)后，讀取RFID電子標(biāo)簽信息，數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)連接。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。

RFID的工作原理為：讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，再向讀寫器發(fā)送吱聲編碼信息，讀寫器采集信息后解碼，將信息送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。RFID射頻識(shí)工作過程如圖1所示。

2 RFID重要性能指標(biāo)

2.1 輻射場振幅與方向的關(guān)系

實(shí)際輻射具有方向性的，天線也不例外?？捎们€圖表示出輻射振幅與方向的關(guān)系，即通常意義上的振幅方向圖，是空間中某點(diǎn)的場強(qiáng)與同方向最大場強(qiáng)的關(guān)系曲線圖。通常情況下，如特殊標(biāo)注，振幅方向圖均作歸一化處理。歸一化后的振幅方向圖是指某一方向上的場強(qiáng)與相同距離的最大場之比的關(guān)系曲線方向圖。

2.2 方向性系數(shù)

特定方向天線的方向性系數(shù)是在特定接收地點(diǎn)產(chǎn)生相同電場強(qiáng)度下，定向與非定向天線輻射功率之比。不同方向點(diǎn)上定向天線的輻射強(qiáng)度不等，RFID天線的方向性系數(shù)定向天線隨著實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的位置變化而變化。如果某點(diǎn)具有電場最大輻射強(qiáng)度，那么該點(diǎn)的方向系數(shù)最大。如果實(shí)驗(yàn)中沒有特定說明，通常以最大方向系數(shù)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3 天線阻抗特性

通常將天線饋電點(diǎn)處輸入電壓與電流的比值稱為天線輸入阻抗。一般情況下，實(shí)驗(yàn)中天線與饋線連接的最佳的情形是天線輸入阻抗與饋線阻抗處在同等條件下。此時(shí)饋線不存在反射功率，也不存在駐波，天線輸入阻抗變化比較平穩(wěn)。通常在RFID天線設(shè)計(jì)中選取的天線阻抗為50Ω或者75Ω，方便與饋線配對(duì)。

2.4 天線效率

天線效率是衡量計(jì)算天線能量轉(zhuǎn)化有效性的指標(biāo)。通常效率高的天線可以將天線輻射絕大部分轉(zhuǎn)化成天線能量。天線效率一般情況下小于1，表明天線的輸入功率一部分要轉(zhuǎn)發(fā)為輻射功率，一部分為消耗功率。

2.5 天線頻帶寬度

RFID天線的頻寬，即RFID天線的頻帶寬度，衡量指標(biāo)包括增益、主瓣寬度、輸入阻抗等。

本文實(shí)驗(yàn)表明，天線各種電性指標(biāo)隨天線頻率變化而變化，天線帶寬取決于各電指標(biāo)的頻率變化。實(shí)驗(yàn)中通常主要考察天線阻抗特性。

3 標(biāo)簽讀寫距離影響因素

3.1 標(biāo)簽讀寫范圍計(jì)算

對(duì)于RFID系統(tǒng)而言，讀寫距離是最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因其應(yīng)用頻段的特殊性，在無源條件下，讀寫范圍可以達(dá)到3m～10m，對(duì)無源RFID硬件系統(tǒng)而言，RFID標(biāo)簽天線的讀寫距離計(jì)算公式為：

r=λ4πPtPthGtFrτ（1）

τ=4RcRdZc+Za|2（2）

其中，Pt是讀寫器的發(fā)射功率，Gt是閱讀器天線的增益[2]，Gr為RFID標(biāo)簽天線的增量，t為傳輸功率系數(shù)，Pth是標(biāo)簽芯片啟動(dòng)時(shí)的門限功率。不難看出，對(duì)于標(biāo)簽天線而言，對(duì)其讀寫范圍影響最大的參數(shù)是天線增量。

3.2 表面大小對(duì)天線讀寫距離的影響

在天線電特性參數(shù)中要考慮接地面大小對(duì)天線增益的實(shí)際影響。表1列出了RFID電子標(biāo)簽處在不同表面積天線上的實(shí)際增益情況[4] 。

3.3 介質(zhì)厚度對(duì)RFID天線帶寬的影響

天線頻帶寬度越窄，天線工作效率越低。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)介質(zhì)層的厚度可明顯改變天線帶寬，當(dāng)介質(zhì)層厚度減小時(shí)，天線帶寬變窄，從而使得天線工作效率下降。但增加標(biāo)簽天線的厚度，天線體積也會(huì)隨之增大， 使得天線窄剖面性受到影響。本文項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)介質(zhì)厚度為5mm時(shí)，天線反射系數(shù)為-10dB，帶寬為910MHz～940MHz時(shí)，天線頻帶特性最為理想。

天線帶寬限制性因素主要有：①方向圖帶寬。如出現(xiàn)實(shí)際頻率與設(shè)計(jì)不符時(shí)，可能會(huì)造成主瓣指向的偏移，甚至造成主瓣分裂、副瓣電平增大或前后輻射比降低等問題。如果方向圖準(zhǔn)確性不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，必須限定方向圖的帶寬。一般情況下，頻段高的方向圖變化迅速，可限制方向圖的帶寬；②阻抗帶寬。通常將天線饋電點(diǎn)處輸入電壓與電流的比值稱為天線輸入阻抗[1]。饋線駐波比是衡量RFID天線阻抗帶寬的重要指標(biāo)。一般可將天線駐波比小于特定值時(shí)的頻帶寬度作為天線的阻抗帶寬。③增益帶寬。增益下降到允許值時(shí)的頻帶寬度稱為增益帶寬。天線尺寸變小，增益下降，所以實(shí)驗(yàn)中通常限定天線最低工作頻率。

3.4 外圍封裝材料對(duì)天線的影響

本文使用兩種不同介質(zhì)測試外圍封裝材料對(duì)天線的影響。用面積大小為400mm×400mm的金屬反射時(shí)，天線增益為2.26dBi，同時(shí)其在垂直天線輻射面上增益最為明顯。而改為同面積的泡沫介質(zhì)后， 天線最大增益為3.94dBi，天線最大增益方向偏離垂直天線輻射面45°。

3.5 貼片結(jié)構(gòu)改變對(duì)天線的影響

電磁耦合多貼片是在一個(gè)或幾個(gè)平面內(nèi)使用多個(gè)貼片，利用貼片之間的寄生耦合，改變其等效諧振回路，讓天線在相對(duì)寬頻段中完成匹配[3]，從而對(duì)微帶天線的帶寬完成擴(kuò)展。其方法原理簡單易懂，設(shè)計(jì)制作較容易，但由于天線是多貼片形式，該方式所占用的物理空間較大。

在貼片或接地板上開槽也是拓展寬天線帶寬的常用方法。在天線不同部位開不同形狀的槽，使天線饋電處形成多級(jí)等效諧振電路，從而實(shí)現(xiàn)頻帶展寬控制。

4 結(jié)語

近年來，隨著無線射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，超高頻RFID系統(tǒng)的天線技術(shù)備受關(guān)注。天線技術(shù)是RFID硬件系統(tǒng)的重要技術(shù)之一，對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郎為民. 射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，3265.

[2] 董麗華. RFID技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008，558.

[3] 康行建. 天線原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出 版，2009，2465.

[4] 楊靈，劉磊安. 一種基于ALOHA的RFID標(biāo)簽多址接入算法[J]. 軟件導(dǎo)刊，2015，14 （2）：6669.

[5] 周曉光.射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社， 2008，2170.

[6] 單承贛， 單玉峰.射頻識(shí)別（RFID）原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2008，2366.

[7] 宋國亮.射頻識(shí)別電子標(biāo)簽的芯片設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)， 2009，3390.

（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）