射頻識別技術及射頻天線的介紹 |
| 發(fā)布時間:2021-05-10 10:36:34 |
| 1.射頻識別技術簡介 射頻識別技術是一種非接觸式自動識別技術，具有傳輸速度快，防撞，批量讀取和移動過程讀取的優(yōu)點。它至少包含兩個部分，一是讀寫器，二是射頻標簽，另外還應包括射頻天線、主機等。RFID技術被用于物流和供應鏈管理、生產(chǎn)管理、防偽與安全控制管理、交通管理與控制等領域具有很大的應用潛力。當前，射頻識別技術的工作頻帶包括低頻，高頻，超高頻和微波范圍，其中高頻和超高頻是使用廣泛的。
2 RFID技術原理 RFID系統(tǒng)的基本工作原理如下。射頻標簽進入讀寫器并發(fā)送射頻場之后，從天線獲得的感應電流將在升壓電路之后用作芯片的電源，并且感應電流將與信息一起，通過射頻前端電路將其轉換為數(shù)字信號。當進入邏輯控制電路進行處理時，需要響應的信息將從標簽存儲器中傳輸出來，并通過邏輯發(fā)送回RF前端電路?？刂齐娐纷罱K通過天線發(fā)送回讀寫器。  在射頻識別技術方面，RFID標簽性能的關鍵是RFID標簽天線的特性和性能。天線在標簽和閱讀器之間的數(shù)據(jù)通信中起著重要作用。一方面，標簽的芯片啟動電路開始工作，并因此需要從讀取器產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量。另一方面，天線確定標簽和讀取器之間的通信信道和通信方法。因此，重點一直放在天線上，尤其是標簽的內(nèi)部天線上。
3.1 RFID系統(tǒng)天線的類型 根據(jù)RFID標簽芯片的供電方式，可以將RFID標簽天線分為有源天線和無源天線。有源天線對性能的要求低于無源天線，但性能會受到電池壽命的極大影響。無源天線可以克服電池受限有源天線的缺點，但需要較高的天線性能。當前，RFID天線的研究重點是無源天線。在RFID系統(tǒng)的工作頻率下，電磁能量的傳輸在RFID系統(tǒng)的LF，HF部分F（例如，6.78 MHz，13.56 MHz）的感應場區(qū)域（類似于穩(wěn)定場）中完成。它被稱為感應耦合系統(tǒng)。由于兩個系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳輸方法不同，相應的RFID標簽天線和前端部分具有獨特的特性，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)使用由多匝感應線圈組成的近場感應線圈天線，與電感線圈并聯(lián)連接的電容器通過形成并聯(lián)諧振環(huán)路來組合最大的射頻能量。 在微波輻射系統(tǒng)中使用的場輻射天線主要是偶極天線和縫隙天線，而遠場輻射天線通常是諧振的，通常是半波長。天線的形狀和尺寸決定了可以捕獲的頻率范圍的性能，頻率越高，天線越敏感，占用的面積越小。工作頻率越高，標簽尺寸越小，并且遠場輻射天線的輻射效率比近方向天線高。 3.2 RFID標簽天線的設計要求 RFID標簽天線的設計要求主要如下：天線的物理尺寸足夠小，可以滿足標簽小型化的需求。它具有全向或半球范圍的方向性。它具有高增益，可以向芯片提供最大的信號。標簽，阻抗匹配很好，無論標簽處于哪個方向，標簽天線的極化都可以匹配來自閱讀器的信號。它堅固且便宜。選擇天線時，主要考慮因素是天線類型，天線阻抗，應用于該物品的RF性能以及帶有標簽的物品周圍還有其他物品時的RF性能。
4 RFID標簽天線類別和研究現(xiàn)狀 標簽天線主要分為三類：線圈型，偶極子型和縫隙（帶微帶貼片）型。線圈天線是金屬線繞平面或磁芯的繞線。偶極天線由兩條厚度和長度相同的直線排列成一條直線，信號以兩個端點為中心。天線的長度決定了頻率范圍。縫隙天線由從金屬表面切出的凹槽組成，微帶貼片天線由末端帶有矩形的電路板組成。矩形的長度和寬度確定頻率范圍。 識別距離小于1m的中低頻短距離應用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單，成本低廉的線圈型天線，而高頻或遠距離應用系統(tǒng)的遠程應用系統(tǒng)1I1則采用這種方法。上面的微波頻段應使用偶極子和縫隙天線。  當標簽線圈天線進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，標簽天線和閱讀器天線之間的相互作用類似于變壓器。兩個線圈都對應于變壓器的初級線圈和次級線圈。 標簽和讀取器之間的雙向通信所使用的載波頻率是標簽的天線線圈的外觀需要較小時，即面積較小且需要一定的工作距離時。 RFID標簽和閱讀器之間的天線線圈電感（顯然不能滿足實際要求）。如有必要，可以將具有高磁導率的鐵氧體材料插入標簽天線線圈，以增加互感，以補償較小的互感。線圈天線的當前實現(xiàn)技術已經(jīng)成熟，并廣泛用于RFID系統(tǒng)中，例如識別和貨物標簽。對于用于高頻，大型RFID應用的線圈天線，很難實現(xiàn)該性能指標。信息量大，工作距離和方向不確定。 4.2偶極天線 偶極天線具有輻射好，結構簡單，效率高的優(yōu)點，可以設計成適合全向通信的RFID系統(tǒng)，特別是在長距離射頻識別技術的RFID標簽天線設計中得到了廣泛的應用。 傳統(tǒng)半波偶極子天線最大的問題是它們對標簽尺寸的影響，例如915MHz半波偶極子。研究表明，端接，傾斜和折疊的偶極天線可以通過選擇適當?shù)膸缀螀?shù)來達到所需的輸入阻抗，這具有高增益，寬頻率范圍和低噪聲的優(yōu)點。它具有出色的性能，并與比較產(chǎn)品兼容。使用傳統(tǒng)的半波偶極天線，其尺寸要小得多，并且如果與釬焊的電氣端子和平衡-不平衡變壓器匹配，您甚至可以最大化增益，阻抗匹配和帶寬。眾所周知，增加天線的彎曲數(shù)量可以幫助減小天線尺寸而不損害天線效率。那么，在狹窄空間中的“彎曲”方式是什么？某些“彎曲”參數(shù)會影響標簽的共振。天線頻率和輸入阻抗有什么影響？如何“彎曲”最佳射頻效率？ 我們知道具有分形結構的物體通常具有成比例的自相似性和空間填充特性，并且當應用于天線設計時，可以獲得天線的多頻帶特性和尺寸減小特性。國內(nèi)外對具有分形結構的天線已經(jīng)進行了大量研究，并且已經(jīng)證明具有分形結構的天線具有出色的尺寸減小特性，并且可以在有限的空間內(nèi)極大地改善天線效率網(wǎng)絡。 通過對半波振蕩器的各個位置和尺寸使用希爾伯特分形變換，并采用矩量法對希爾伯特標簽天線進行仿真，可以得到分形維數(shù)和階數(shù)不同的標簽天線的諧振頻率和輸入阻抗。仿真結果是分析結果，這是確定適合實際標簽天線設計要求的標簽天線的尺寸和順序，另外制造物理天線并測試RF識別距離的常用研究方法。 4.3插槽（帶微帶貼片）天線 縫隙天線具有高度低，重量輕，加工簡單，易于裝入物體，批量生產(chǎn)，各種電氣性能，寬帶以及帶有集成電路的有源器件和元件等特點，適合批量生產(chǎn)并且可以簡化。整機的生產(chǎn)和調(diào)試，從而大大降低了成本。 微帶貼片天線由輻射貼片導體組成，該輻射貼片導體附著到帶有金屬底板的介電基板上，并且可以根據(jù)天線的輻射特性將貼片導體設計成各種形狀。它通常用于頻率高于100 MHz的低剖面結構，通常由薄的介電層（稱為基板）表面組成，并在接地面上放置了矩形或正方形的金屬貼片。補丁可以這樣制作：光刻：由于制造，成本低廉且易于批量生產(chǎn)。 如前所述，彎曲天線可用于減小標簽天線的物理尺寸并滿足標簽微型化的設計要求。對于縫隙天線，也可以使用彎曲的概念。實際上，彎曲縫隙天線適用于高頻微波波段的RFID標簽，可以有效減小天線尺寸，并具有良好的性能。市場前景廣闊。研究方法與彎曲偶極天線相似，采用矩量法研究縫隙彎曲次數(shù)，縫隙天線的高度，位置，寬度和尺寸對諧振特性的影響。矩形天線。 彎曲的縫隙天線，平板尺寸為LxW，縫隙的彎曲寬度和高度分別為s和h，縫隙中心與饋電點之間的距離如下。這些參數(shù)的更改包括：縫隙天線諧振特性，反射系數(shù)，天線效率等 基于各種彎曲參數(shù)對縫隙天線性能的影響，可以根據(jù)實際需要設計用于UHF射頻識別標簽的縫隙天線，并可以制作特定的物理天線。在UHF標簽天線設計領域，彎曲縫隙天線有望成為更廣闊的發(fā)展方向。  除了減小物理尺寸的問題（這一直是RFID標簽天線設計中經(jīng)常注意到的問題）外，進一步改善了微型天線的帶寬和增益特性，以擴展實際應用范圍并擴展交叉極化。通過分析小型天線的特性可以弄清這一點。極化純度也是重要的研究方向。此外，涵蓋各種頻率的復雜天線設計，多標簽天線優(yōu)化分配技術，閱讀器智能波束掃描天線陣列技術，設計仿真軟件和平臺，標簽天線和附屬介質(zhì)匹配技術，一致的干擾預防以及安全性和可靠性技術都是值得繼續(xù)研究。 其中，片上天線技術已成為最近研究中的熱點問題。隨著RFID技術的應用領域的不斷擴大，RFID標簽對小型化，輕便，多功能，低功耗和低成本的要求不斷提高，但是目前，RFID標簽仍使用片外獨立天線。 Q（品質(zhì)因數(shù)）值高，制造容易，價格合理。缺點是它體積大，易碎，不能用于動物產(chǎn)品的防偽或生物標記等工作。如果天線可以集成到標簽芯片中，則無需外部設備即可運行，從而使整個標簽更小，更方便使用，從而導致對片上天線技術的研究。 將天線集成到芯片上可以簡化原始標簽的生產(chǎn)過程，不僅可以降低成本，而且可以提高可靠性。片上天線作為能量接收器和信號傳感器決定了整個系統(tǒng)的性能，其基本出發(fā)點是使用法拉第電磁感應原理。外部磁場能量被轉換為用作整個芯片的工作功率的芯片上電源電壓，同時，由于電磁場變化而導致的芯片上電流或電壓變化如下。它用于識別接收到的信號。由于其自身的輸出阻抗，通過改變外部磁場，信號被傳輸?shù)浇邮斩?。迄今為止，以標準CMOS工藝實現(xiàn)的片上天線仍使用基于硅的集成螺旋電感器作為其基本結構。 除了RFID標簽的內(nèi)部設計之外，在諸如RFID智能平臺（智能表）天線等領域的研究也引起了人們的關注。 |
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