射頻識別RFID天線介紹

發(fā)布時間:2020-11-26 16:28:04

1.射頻識別天線類型

RFID天線是用電磁波接收或發(fā)射前端無線信號功率的設備，是電路和空間的接口設備，用于實現(xiàn)導波和自由空間波能量轉(zhuǎn)化。在RFID射頻識別系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和閱讀器天線，分別起到接收能量和釋放能量的作用。目前的RFID射頻識別系統(tǒng)主要集中在低頻LF、高頻HF(13.56MHz)、超高頻UHF(860-960MHz)和微波波段，根據(jù)工作波段的不同，射頻識別系統(tǒng)天線的原理和設計有根本的不同。射頻識別天線的增益和阻抗特性影響RFID自動識別系統(tǒng)的工作距離等，RFID射頻識別系統(tǒng)的工作頻段對天線大小和輻射損失有要求。因此，RFID射頻識別天線設計的好壞關系到整個RFID自動識別系統(tǒng)的成功與否。

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1.1近場射頻識別RFID天線

對于LF和HF頻段，系統(tǒng)在天線的近場工作，RFID電子標簽所需的能量全部通過電感耦合從閱讀器的耦合線圈輻射近場獲得，工作方式是電感耦合。電場強度根據(jù)距離的3次方衰減，磁場強度根據(jù)距離的2次方衰減，電磁場元件相位差為90，光子向量為虛數(shù)，能量不向外輻射，只在天線表面附近交換電能和磁能。近距離領域?qū)嶋H上沒有電磁波傳播的問題，所以天線設計比較簡單，一般采用工藝簡單、成本低廉的線圈天線。
線圈天線本質(zhì)上是諧振電路。在指定的工作頻率下，當感應阻抗等于電容器阻抗時，線圈天線會產(chǎn)生共振。諧振電路的諧振頻率為：(L是天線的線圈電感，C是天線的線圈電容)。HF段RFID無線電識別線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz。RFID射頻識別應用系統(tǒng)通過該頻率載體實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。在某些應用環(huán)境中，RFID射頻識別線圈天線形狀小，需要工作距離，因此線圈天線的相互電感只能減少。為了解決這個問題，我們通常在線圈內(nèi)部插入具有高電導率的鐵氧體材料，以增加互感，補償線圈橫截面減少的問題。近距離天線的工作方式與我們熟悉的變壓器原理完全相似，理論比較簡單。

1.2遠距離天線

接下來，我將集中討論遠距離天線的理論分析和結構。對于超高頻和微波波段，閱讀器天線用于為RFID電子標簽提供能量或喚醒活動RFID電子標簽，它們相距很遠，通常位于閱讀器天線的較遠位置。電場強度和磁場強度根據(jù)距離的一側(cè)衰減，電場和磁場方向相互垂直，與傳播方向垂直。博因汀矢量是實數(shù)，電磁場以電磁波的形式釋放能量。此時天線設計對系統(tǒng)性能有很大影響，常用偶極或微帶貼片天線。下面將分別詳細分析。

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1.2.1偶極天線
偶極天線，也稱為對稱擺天線，由兩條厚度相同、長度相同的直線導體排成一條直線。中間兩端提供信號，在偶極的雙臂上產(chǎn)生一定的電流分布。這種電流分布會在天線周圍的空間產(chǎn)生電磁場。一般用于RFID無線識別電子RFID電子標簽的是曲折型偶極天線。
IZ是沿擺錘臂分布的電流，是相位常數(shù)，R是擺錘中點到觀察點的距離，是擺錘軸到R的角度，L是單擺臂的長度。通過ADS、HFSS等高頻軟件仿真，可以獲得天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等特性參數(shù)。天線輸入阻抗可以被認為是純電阻。例如，如果用N條導線折疊偶極，則假定所有導線的電路相同，供應端阻抗為70N2。無視天線厚度橫向影響的簡單偶極天線設計可以將鐘擺長度L為/4的整數(shù)倍。偶極天線需要更大的輸入阻抗時，可以使用折疊偶極天線。
1.2.2微帶貼片天線
微帶貼片天線質(zhì)量輕，體積小，單面薄，饋線和匹配網(wǎng)絡可以與天線同時制作，與通信系統(tǒng)的印刷電路集成，貼片可以使用光刻工藝制造，成本低，便于批量生產(chǎn)。微帶貼片天線由于供應方式和極化方式的多樣化和饋電網(wǎng)絡、有源電路集成等特點，成為印刷天線類的主角。

一般來說，微帶貼片天線的輻射導體和金屬地面距離為數(shù)十分之一波長。假設輻射電場不沿著導體的側(cè)面和縱向變化，而只沿著約半波長的導體長度方向變化。微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開放邊緣的邊緣場產(chǎn)生的，方向基本上是確定的。因此，微帶貼片天線適用于通信方向變化不大的RFID射頻識別應用系統(tǒng)。

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2.RFID射頻識別天線設計要點

RFID射頻識別天線結構及環(huán)境因素對天線性能有很大影響。天線的結構決定天線模式、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所附加物體的形狀和物理特性的影響。例如，磁場不能穿透金屬等導磁性材料，金屬物附近的磁力線形狀可能會發(fā)生變化，也是因為磁場會在金屬表面引起漩渦。根據(jù)倫茨定律，漩渦會產(chǎn)生抵抗激勵的磁通量，大大降低金屬表面的磁通量。超高頻閱讀器天線產(chǎn)生的能量被金屬吸收，讀寫距離大大減少。另外，液體對電磁信號有吸收作用，彈性基層產(chǎn)生RFID電子標簽和天線變形，寬帶信號源(例如發(fā)動機、泵、發(fā)電機)產(chǎn)生電磁干擾等。這是我們設計天線時要仔細考慮的部分。目前，研究領域根據(jù)天線的上述特性提出了多種解決方案。例如，用曲折天線解決大小限制，用反向F型天線解決金屬表面的反射問題等。
天線的目標是將最大能量傳輸?shù)诫娐穬?nèi)外。這就需要仔細設計天線與自由空間和電路的匹配，天線匹配程度越高，天線的輻射性能就越高。當工作頻率增加到UHF區(qū)域時，天線和RFID電子標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴重。在傳統(tǒng)的天線設計中，可以控制天線大小和結構，使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器將輸入阻抗與饋線匹配。一般天線開發(fā)基于50或75ohm阻抗，RFID射頻識別系統(tǒng)中芯片的輸入阻抗可以是任意值，在工作狀態(tài)下很難準確測試，天線設計也很難優(yōu)化。

對于近距離RFID射頻識別應用，天線通常與讀者集成。比較一般的東西，如UR5002讀寫器，對于遠距離RFID射頻識別系統(tǒng)，閱讀器天線和閱讀器通常使用單獨的結構。比較一般的東西，如UR6258閱讀器，阻抗通過匹配的同軸電纜連接。一般來說，定向天線的回聲損失較小，因此更適合RFID電子標簽應用。由于無法控制RFID電子標簽放置方向，閱讀器天線通常采用圓形極化方式。RFID閱讀器天線需要低截面、小型化和多頻帶覆蓋。對于分離式閱讀器，還包括天線陣列的設計問題。國外已經(jīng)開始研究將智能波束掃描天線陣列應用于閱讀器，讀者可以按照一定的處理順序打開“智能”，關閉其他天線，使系統(tǒng)能夠檢測到其他天線應用區(qū)域的RFID電子標簽，從而擴大系統(tǒng)的應用范圍。

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3 .射頻識別RFID天線結論

目前，RFID射頻識別射頻識別技術已發(fā)展成為一個獨立的跨學科專業(yè)領域，融合了天線技術、半導體技術、高頻技術、電磁兼容性、數(shù)據(jù)保護和加密、無線通信技術、封裝制造技術等多種專業(yè)領域的技術。RFID自動識別射頻識別技術可大大降低人工成本，提高工作準確性，加快數(shù)據(jù)處理速度，有效跟蹤物流動態(tài)等優(yōu)點。RFID射頻識別天線設計技術是整個RFID自動識別系統(tǒng)設計中相當重要的攻擊技術，需要更細致地考慮RFID射頻識別系統(tǒng)應用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等影響。為RFID自動識別系統(tǒng)的理想操作提供保證。

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