RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計(jì)

1、RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計(jì)近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式ic卡來逐步替代接觸式ic卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification)卡就是一種典型的非接觸式IC 卡，然而，RFID在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的自1970年第一張IC卡問世起，IC 卡成為當(dāng)時微電子技術(shù)市場增長最快的產(chǎn)品之一，到1996年全世界發(fā)售IC卡就有7億多張.但是,這種以接觸式使用的IC卡有其自身不 可避免的缺點(diǎn)，即接觸點(diǎn)對腐蝕和污染缺乏抵抗能力，大大降低了 IC卡的使用壽命和使用范圍近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC卡來逐步替代接觸式IC卡,

2、其中射頻識別(RFID , radio frequencyidentification)卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與IC卡之間數(shù)據(jù)交換的，顯示出比一般接觸式IC卡使用更便利的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識別卡然而,RFID在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的這里我們將首先通過介紹RFID應(yīng)用系個人收集整理勿做商業(yè)用途統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線的設(shè)計(jì)是RFID不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵，然后分別介紹幾種典型的RFID天線及其設(shè)計(jì)原理，最后介紹利用An soft HFSS工具來設(shè)計(jì)了一種全向 的RFID天線.個人收集整理 勿做商業(yè)

3、用途1 RFID技術(shù)原理通常情況下，RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成的，如圖1所示.其中,讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來實(shí)現(xiàn)對RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成而RFID卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路(IC) 芯片及其外接天線組成，其中RFID芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上.個人收集整理勿做商業(yè)用途存鎬器圖1射頻識別系統(tǒng)原理圖RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源 ，同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢

4、得數(shù)字信 號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器 可見,RFID卡與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中 起關(guān)鍵的作用是天線 一方面，無源的RFID卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器 天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了 RFID卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.個人收集整理勿做商業(yè)用途目前RFID已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且有國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693， IS018000等幾種.這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外，還著重對工作距離、頻率、耦合方 式等與天線物理特性

5、相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范 RFID應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了RFID天線的選擇，下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型的RFID天線及其性能個人收集整理勿做商業(yè)用途2 RFID天線類型RFID主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3種基本形式的天線其中，小于1 m的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的 RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，它們主要工作在中低頻段而1 m以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID天線，它們工作在高頻及微波頻段這幾種類型天線的工作原理是不相同的個人收集整理勿做商業(yè)用途2.1 線圈天線當(dāng)RFID的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中，RFID天線與讀寫器天線之間的相互作

6、用就類似于變壓器，兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次級線圈由RFID的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示，它包括RFID天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2'，其諧振頻率為：個人收集整理勿做商業(yè)用途,(式中C為Cp和C2'的并聯(lián)等效電容) RFID應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID1型非接觸式IC卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm X54.03 mm X 0.76 mm),天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz.目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm X 0.4 mm線圈天線的短距離RFID應(yīng)用系統(tǒng)個人收集整理 勿做商業(yè)用途m圖2應(yīng)答器等效

7、電路圖某些應(yīng)用要求RFID天線線圈外形很小，且需一定的工作距離，如用于動物識別的 RFID. 線圈外形即面積小的話,RFID與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實(shí)際使用.通常在RFID的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.個人收集整理勿做商業(yè)用途2.2微帶貼片天線個人收集整理勿做商業(yè)用途微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的，如圖3所示.根據(jù)天線輻射特性的需要，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀.通常貼片天線的輻射導(dǎo)體 與金屬地板距離為幾十分之一波長，假設(shè)輻射電場沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個方向沒有變化，僅沿約為半波長（入g

8、/ 2）的導(dǎo)體長度方向變化.則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo) 體開路邊沿的邊緣場引起的，輻射方向基本確定，因此，一般適用于通訊方向變化不大的 RFID應(yīng)用系統(tǒng)中.為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題，人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線，如文獻(xiàn)5,6設(shè)計(jì)了一種工作在 24 GHz的單縫隙天線和 5.9 GHz的雙縫隙 天線，其輻射波為線極化波；文獻(xiàn)7,8開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線，它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的1和0'進(jìn)行編碼.個人收集整理勿做商業(yè)用途2. 3偶極子天線在遠(yuǎn)距離耦合的 RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線（又稱對稱振子天線）.偶極

9、子天線及其演化形式如圖4所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，信號從中間的兩個端點(diǎn)饋入，在偶極子的兩臂上個人收集整理勿做商業(yè)用途將產(chǎn)生一定的電流分布，這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程：& = f- id= f-嚴(yán)"sin佻os仏二 cos dzr個人收集整理勿做商業(yè)用途式中Iz為沿振子臂分布的電流，a為相位常數(shù)，r是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離 ，0為振子軸到r的夾角,1為單個振子臂的長度.同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù).個人收集整理勿做商業(yè)用途:i I4)

10、(W圖4偶極子天線（a）偶極子天線；（b） 折合振子天線；（c） 變形偶極子天線當(dāng)單個振子臂的長度I=入/ 4時（半波振子），輸入阻抗的電抗分量為零，天線輸入阻 抗可視為一個純電阻.在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下，簡單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長度I為入/ 4的整數(shù)倍，如工作頻率為2. 45 GHz的半波偶極子天線，其長度約為6 cm. 當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時，可采用圖4b的折合振子.個人收集整理勿做商業(yè)用途3 RFID射頻天線的設(shè)計(jì) 個人收集整理 勿做商業(yè)用途從RFID技術(shù)原理和 RFID天線類型介紹上看,RFID具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID天線的特點(diǎn)和性能.目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

11、很成熟，雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識別、貨物標(biāo) 簽等RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場合，采用線圈型天線則難以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo).同樣，如果采用微帶貼片天線的話，由于實(shí)現(xiàn)工藝較復(fù)雜，成本較高，一時還無法被低成本的RFID應(yīng)用系統(tǒng)所選擇.偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、制造簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，且可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID應(yīng)用系統(tǒng)，因此，下面我們來具體設(shè)計(jì)一個工作于2. 45 GHz （國際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段）的RFID偶極子天線.個人收集整理 勿做商業(yè)用途半波偶極子天線模型如圖4a所示.天線采用銅材料（電導(dǎo)率：5.8e7 s/

12、m ,磁導(dǎo)率:1）,位于充滿空氣的立方體中心.在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界.輸入信號由天線中心處饋入,也就是RFID芯片的所在位置.對于2. 45 GHz的工作頻率其半波長度約為61mm ,設(shè)偶極子天線臂寬 w為1 mm ,且無限薄，由于天線臂寬的影響，要求實(shí)際的半波偶極子天線長 度為57mm.在An soft HFSS工具平臺上,采用有限元算法對該天線進(jìn)行仿真,獲得的輸入回波損耗S11分布圖如圖5a所示,輻射場E面（即最大輻射方向和電場矢量所在的平面）方向圖如圖5b所示.天線輸入阻抗約為 72 Q ,電壓駐波比（VSWR）小于2.0時的阻抗帶寬 為14. 3 % ,天線增益為1.8.個人收

13、集整理 勿做商業(yè)用途頻率/GH工圖5偶極子天線（a）回波損耗S11 ; （b） 輻射方向圖從圖5b可以看到在天線軸方向上，天線幾乎無輻射.如果此時讀寫器處于該方向上，應(yīng)答器將不會做出任何反應(yīng).為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點(diǎn)，可以對天線做適當(dāng)?shù)淖冃危缭趯⑴紭O子天線臂末端垂直方向上延長入/ 4成圖4c所示這樣天線總長度修改為（57. 0 mm + 2 X 28. 5 mm）,天線臂寬仍然為1 mm.天線臂延長 入/ 4 后,整個天線 諧振于1個波長，而非原來的半個波長.這就使得天線的輸入阻抗大大地增加，仿真計(jì)算結(jié)果約為2 kQ .其輸入回波損耗 S11如圖6a所示.圖6b為E面（天線平面）上的輻射場方 向圖,其中實(shí)線為仿真結(jié)果，黑點(diǎn)為實(shí)際樣品測量數(shù)據(jù)，兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計(jì)是正 確的.從圖6b可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善，其輻射已經(jīng)近似為全方向的了 .電壓駐波比（VSWR）小于2. 0 時的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對于大部分 RFID應(yīng)用系統(tǒng)，該偶極子天線可以滿足要求.個人收集整理勿做商業(yè)用途圖6 變形