RFID標(biāo)簽天線的小型化技術(shù)研究

陳又鮮　陳玉墩

【摘 要】無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）模塊主要包括應(yīng)答器和閱讀器，其中，天線扮演著發(fā)射和接收信號(hào)的角色，是必不可少的部件。本文結(jié)合實(shí)際課題對(duì)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽天線的5種小型化方法如加載短路探針、表面開(kāi)槽、提高介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù)、附加有源網(wǎng)絡(luò)及采用特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，論述了各自優(yōu)缺點(diǎn)，這為天線設(shè)計(jì)及小型化提供了一定的技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】天線；射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）；電子標(biāo)簽；小型化

1 射頻識(shí)別技術(shù)概述

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)屬于無(wú)線通信技術(shù)，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)交變磁場(chǎng)或電磁波耦合自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。射頻識(shí)別主要由電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器兩部分組成，皆包含天線、射頻模塊、控制模塊和存儲(chǔ)器等。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器中天線發(fā)射出的電磁場(chǎng)時(shí)，接收解讀器由天線發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，解讀器讀取信息并解碼再進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理[2]。其中天線完成高頻信號(hào)的發(fā)射接收，是標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的信息橋梁，其實(shí)現(xiàn)方式直接關(guān)系到通信信號(hào)的后續(xù)處理以及整個(gè)射頻識(shí)別的性能。因此，在設(shè)計(jì)射頻識(shí)別硬件時(shí)，天線的設(shè)計(jì)采用何種方案是至關(guān)重要的。

天線的一般設(shè)計(jì)流程如圖1所示，首先確定設(shè)計(jì)指標(biāo)，也就是確認(rèn)是否完成設(shè)計(jì)的衡量指標(biāo)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)如天線尺寸、方向性、讀取距離等選擇天線材料及類型，對(duì)天線進(jìn)行仿真分析并優(yōu)化參數(shù)確定設(shè)計(jì)方案，并制作天線原型進(jìn)行驗(yàn)證并調(diào)試，得出最佳參數(shù)達(dá)到指標(biāo)要求完成天線設(shè)計(jì)。

圖1 天線的一般設(shè)計(jì)流程圖

射頻識(shí)別有高可靠性、高保密性和快速跟蹤、管理對(duì)象、小巧便攜等要求。而天線作為一種接收與發(fā)送信息的裝置，射頻識(shí)別系統(tǒng)的重要部件，隨著RFID對(duì)天線越來(lái)越高的要求，通信設(shè)備趨于小型化發(fā)展，天線的小型化研究也是至關(guān)重要的。

2 天線的小型化

2.1 天線的小型化要求

一般RFID標(biāo)簽天線的特性有以下要求：（1）方向性要求具有全向或者半球覆蓋，以便于讀寫(xiě)器能在各個(gè)方向有效檢測(cè)到攜帶電子標(biāo)簽的物體。（2）要求標(biāo)簽芯片與天線阻抗達(dá)到良好阻抗匹配，盡可能使標(biāo)簽天線傳遞最大信號(hào)給標(biāo)簽芯片以便于信號(hào)的讀取。（3）結(jié)構(gòu)尺寸要求便于嵌入到小型物件中，則需要研究緊湊的天線物理結(jié)構(gòu)。（4）考慮到產(chǎn)品的成本問(wèn)題，要求標(biāo)簽天線材料成本低。在設(shè)計(jì)天線時(shí)，要達(dá)到標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片阻抗匹配又要綜合考慮產(chǎn)品的成本和便攜性，則天線與芯片的阻抗匹配需避免采用附加的匹配網(wǎng)絡(luò)。天線的結(jié)構(gòu)或尺寸改變會(huì)影響天線的增益、方向性、效率、頻帶寬度及效率等特性，所以天線的小型化設(shè)計(jì)要求在不降低天線性能的條件下達(dá)到減小天線的尺寸的目的。

2.2 天線的小型化技術(shù)

天線的小型化一般有加載短路探針、表面開(kāi)槽、提高介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù)、附加有源網(wǎng)絡(luò)及采用特殊結(jié)構(gòu)等幾種方法。標(biāo)簽天線可以分為線圈型天線、偶極子天線和縫隙天線三類?；谖炀€成本低、量輕、體積小、易于集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前RFID天線多采取微帶天線，如吉林大學(xué)研究應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)頻率為2.45GHz的整流天線，采用特殊結(jié)構(gòu)，通過(guò)參照微波光子晶體結(jié)構(gòu)天線，設(shè)計(jì)了一款光子晶體結(jié)構(gòu)改進(jìn)型微帶天線，使其盡量小型化，較普通天線減小了尺寸，此款天線還適用于低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及其它低功耗用電設(shè)備[3]。

加載短路探針可以加載天線的零勢(shì)面和地面，這對(duì)天線來(lái)說(shuō)相當(dāng)于引入了電容和電感。根據(jù)傳輸線理論，兩條開(kāi)路線的場(chǎng)在傳輸線方向上是呈駐波分布的，那么將這兩條兩端開(kāi)路的傳輸線之間的零位點(diǎn)對(duì)地短接，就可使開(kāi)路傳輸線形成短路駐波結(jié)構(gòu)，從而使天線尺寸減小1/2。然而加載短路探針存在一定的缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致天線的帶寬變窄以及增益下降。

表面開(kāi)槽是在貼片尺寸不變的前提下，通過(guò)貼片開(kāi)槽構(gòu)成特殊形狀的微帶輻射貼片使其表面電流沿著槽或縫隙曲折流過(guò)，表面電流路徑彎曲繞行從而增加等效路徑，這樣可以增加天線的有效長(zhǎng)度，因此達(dá)到天線小型化的目的。但是，輻射貼片表面開(kāi)槽是有限制的，因?yàn)楸砻骈_(kāi)槽會(huì)減小天線的輻射面積從而導(dǎo)致天線的增益下降，而且還會(huì)增加天線垂直于主激發(fā)面電流的額外電流分布，這會(huì)導(dǎo)致天線交叉極化增大，天線的輻射效率變差。所以需要適當(dāng)開(kāi)槽，這樣還可使天線實(shí)現(xiàn)圓極化和雙頻工作。本文針對(duì)應(yīng)用于射頻識(shí)別的微帶天線采用了表面開(kāi)槽方法來(lái)減小標(biāo)簽天線的尺寸，仿真和實(shí)驗(yàn)表明天線的性能指標(biāo)隨天線的尺寸變化而變化，在一定尺寸范圍內(nèi)，稍稍改變天線的尺寸對(duì)天線性能參數(shù)影響較小。也可發(fā)現(xiàn)尺寸變化對(duì)天線性能的影響規(guī)律，如本文實(shí)驗(yàn)中的一種彎折型微帶貼片天線，其中一邊貼片的長(zhǎng)度在10.5mm到16.5mm變化時(shí)，貼片的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，天線的諧振頻率越偏低頻，貼片的長(zhǎng)度越短，天線的諧振頻率越偏高頻，如表1所示。

從上式也可以看出，矩形片長(zhǎng)度L一定時(shí)，介電常數(shù)越高，諧振頻率越低。本文實(shí)驗(yàn)表明在同一頻率點(diǎn)不同介電常數(shù)的介質(zhì)基板的天線其介電常數(shù)高的尺寸比介電常數(shù)低的尺寸小，所以采提高介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù)有利于實(shí)現(xiàn)天線的小型化。但是增大介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)減小天線的頻帶寬度，而且還會(huì)降低天線的增益。而介質(zhì)基板對(duì)天線的性能影響較大，且介質(zhì)厚度適當(dāng)?shù)脑黾涌梢哉{(diào)高天線的帶寬和增益，那么在設(shè)計(jì)該種標(biāo)簽天線之前，需在選擇介質(zhì)基板時(shí)對(duì)介質(zhì)的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗、介質(zhì)基片的厚度等綜合考慮。

射頻識(shí)別無(wú)源天線的尺寸縮小后會(huì)引起天線的性能變差，如降低其輻射電阻以及天線效率，針對(duì)這種情況可采用附加有源網(wǎng)絡(luò)。有源網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)具有放大作用，并對(duì)天線具有阻抗補(bǔ)償作用，從而緩和天線尺寸減小與性能下降的矛盾。有源天線可實(shí)現(xiàn)工作頻帶寬，其帶寬高低頻比值可達(dá)20到30之間。而且，有源網(wǎng)絡(luò)可使天線的增益高達(dá)10dB以上，達(dá)到良好阻抗匹配及方向性好等優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)于有源天線陣單元間可能存在弱互耦。對(duì)天線引入有源網(wǎng)絡(luò)會(huì)引入噪聲和非線性失真，所以針對(duì)這些問(wèn)題也需綜合考慮。

3 結(jié)論

本文介紹了射頻識(shí)別標(biāo)簽天線小型化的5種主流技術(shù)，天線的尺寸改變勢(shì)必會(huì)影響天線的性能如帶寬、效率及增益等，需權(quán)衡利弊找到最佳平衡值。這為天線設(shè)計(jì)及天線的小型化提供了一定的技術(shù)參考。

【參考文獻(xiàn)】

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