天线设计原理

 

1．RFID基本原理

 

      RFID （radio frequency identification）是利用无线电波进行通信的一种自动识别技术。基本原理是通过读头和黏附在物体上的标签 之间的电磁耦合或电感耦合进行数据通信，以达到对标签物品的自动识别。[1]-[5]自动识别是指应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接 近活动，自动获取被识别物品的相关信息，并提供给后台计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。完整的自动识别系统包括： auto identification system, AIDS；application interface, API；middleware； application software。自动识别系统根据识别对象的特征可以分为数据收集技术和特征收集技术。

RFID中文一般翻译为射频识 别技术，非接触式识别技术。典型的RFID系统由Tag 电子标签（应答器） Reader 读写器（读头）和信息处理系统组成。电子标签和读写器用于对 被识别对象信息的收集，信息处理系统则用于信息控制和处理。RFID的硬件部分主要有两部分：Tag 电子标签（应答器） Reader 读写器（读 头）。电子标签Tag可以分为有源和无源。有源标签内附带电池，识别距离较远，但寿命有限价格较高而且体积较大，一般为主动式调制。无源电子标签不含有电 池，利用耦合的读写器发射的电磁能量作为自己的能量，重量轻，体积小，寿命长，价格便宜，但发射距离受到限制，需要较大读写器提供能量。一般为被动式调 制。

       RFID系统根据调制方式的不同可以分为主动式，被动式和半主动式。一般而言，无源系统为被动式，有源系统为主动式。主动式系统利用自身能量 主动发送数据给读写器，在有障碍的情况下，主动式工作方式发射的信号只需通过障碍一次。被动式系统则利用调制散射的方式发射数据，必须利用读写器的载波来 调制自己的信号。内部不带电池，典型产生能量的装置是天线与线圈，接近读写器，天线接收到特定的电波，线圈产生感应电流，通过整流电路，激活电路开关。还 有介于两者之间的半主动式系统，也称为电池支援式反向散射调制系统，半主动式系统标签本身也带有电池，但并不主动发送数据，电池只用于对内部数字电路供 电。

       RFID的主要频段有：125kHz，134.2kHz，13.56MHz，860-960 MHz，2.45GHz和5.8GHz。不同工 作频率的RFID系统工作距离各有不同，应用领域也有差异。低频段（LF，125kHz，134.2kHz）的RFID系统主要用于动物识别，工厂数据采 集等；高频（HF，13.56MHz）的RFID系统技术已经比较成熟，广泛应用于门禁，智能交通等方面，LF和HF频段应用电感耦合方式工作，一般工作 距离较小；超高频段（UHF，860-960 MHz）的RFID系统电子标签有效工作距离可以达到3-6米，适用于物流，供应链等领域。微波频段 （2.45GHz和5.8GHz）则应用于集装箱管理和公路收费，UHF和微波频段应用电磁耦合方式工作，工作距离较远。

       目前，RFID还未形成 统一的全球化标准。国际上与RFID相关的通信标准主要有：EPC标准（主要涉及HF和UHF频段），DSRC标准（5.8GHz频段）以及一系列ISO 标准：ISO/IEC 18000标准（包括7个部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860－960MHz, 2.45GHz等频段），ISO11785（低频），ISO/IEC 14443标准（13.56MHz），ISO/IEC 15693标准 （13.56MHz）。当前RFID系统主要应用于封闭市场的管理，例如控制出入的门禁系统，车辆识别，高速公路收费等，下一步则希望可以使用电子标签逐 步替代显示广泛使用的条形码系统，与互联网结合，形成一个开放式的物流管理网络。

 

2．RFID标签及读写器天线的设计与应用

 

       RFID 系统天线一般分为电子标签天线设计和读写器天线两大类。不同工作频段的RFID系统天线设计各有特点。对于LF和HF频段，系统采用电感耦合方式工作，电 子标签所需的工作能量通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，一般为无源系统，工作距离较小，不大于1米。在读写器的近场实际上不涉及电磁波传 播的问题，天线设计比较简单。

而对于UHF和微波频段，电子标签工作时一般位于读写器天线的远场，工作距离较远。读写器的天线为电子标签提供工作 能量或唤醒有源电子标签，UHF频段多为无源被动工作系统，微波频段（2.45GHz和5.8GHz）则以半主动工作方式为主。天线设计对系统性能影响较 大。对于UHF和微波频段电子标签天线设计，主要问题有：

I. 天线的输入匹配

       UHF和微波频段电子标签天线一般采用微带天线形式。在传 统的微带天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸和结构，或者使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配，天线匹配越好，天线辐射性能越好。但由于受到成 本的影响，电子标签天线一般只能直接与标签芯片相连。芯片阻抗很多时候呈现强感弱阻的特性，而且很难测量芯片工作状态下的准确阻抗特性数据。在设计电子标 签天线时，使天线输入阻抗与芯片阻抗相匹配有一定的难度。在保持天线性能的同时又要使天线与芯片相匹配。这是电子标签天线设计的一个主要难点。

II. 天线方向图

       电子标签，理论上希望它在各个方向都可以接收到读写器的能量，所以一般要求标签天线具有全向或半球覆盖的方向性，而且要求天线为圆极化。

III. 天线尺寸对其性能的影响

       由于电子标签天线尺寸极小，其输入阻抗，方向图等特性容易受到加工精度，介质板纯度的影响。在严格控制尺寸的同时又要求天线具有相当的增益，增益越大，电子标签的工作距离越大。

       现时实际应用中的电子标签天线基本采用贴片天线设计，主要形式有微带天线，折线天线等。最近几年，电子标签天线设计一直是RFID系统中的热点[6] [7]。标签天线研究的重点有如何实现宽频特性[8][9][10]，阻抗匹配[11]，还有文章涉及天线底板对标签性能的影响[12]。

读写器 天线一般要求使用定向天线，可以分为合装和分装两类。合装是指天线与芯片集成在一起，分装则是天线与芯片通过同轴线相连，一般而言，读写器天线设计要求比 标签天线要低。最近一段时间，开始有研究在读写器天线上应用智能天线技术控制天线主波束的指向，增大读写器所能涵盖的区域[13]。

 

3．本系在RFID标签天线设计方面的优势与不足

 

       由前文可见，电子标签天线研发对整个RFID系统具有相当重要的意义，也有一定的难度。在现阶段，虽然国内有一大批天线设计的专业厂家，但极少涉足 RFID系统电子标签天线的设计。国内在微波频段的标签天线设计与国外仍有一定差距，而且绝大多数国外设计都牵涉专利问题。假若提前对此投放资源，研发出 具有自我知识产权的产品，不但可以填补国内空白而且可以有效地打破国外产品的垄断，促进国内相关标准的订立。

       本系一直对微带天线研发投入相当资源，在过往有多项研究围绕微带天线的应用以及理论分析，同时也拥有相关实验仪器可用于微带天线的研发与设计，对于电子标签天线的研发具有相当的基础。本系拥有多台网络分析仪可以用于测量标签天线的阻抗测量，也可以大概测量天线的方向图。

本系的不足在于偏重科研理论及设计，科研创新成果向企业转化的能力较弱。