具有直條帶加載的彎折型RFID標簽天線研究.docx

1、作為一項新興的自動識別技術，無線射頻識別技術(RFID)被喻為21世紀最 具革命性意義的無線通信技術之一。它基于射頻信號的空間耦合原理和電磁場的 傳輸特性，通過無線信號進行雙向通信，自動識別目標物體并提取相關信息。無 線射頻識別技術系統(tǒng)分為低頻、高頻、超高頻、微波等四個工作頻段。目前最被 看好的超高頻段是未來商用市場規(guī)模最大的頻段，也是技術上最難實現(xiàn)的頻段。 無線射頻系統(tǒng)又可分為有源系統(tǒng)、無源系統(tǒng)和半有源系統(tǒng)，本文主要關注的是超 高頻無源RFID電子應答器技術中天線的研究。在超高頻段的無源RFID應答器的設計中，天線的設計是重中之重。天線的 種類有很多，本文針對負載彎曲型天線進行相應的研究和設

2、計并給出仿真內容和 結果。天線設計采用了 HFSS軟件進行仿真，并利用測試平臺對天線進行了性能 測試，在與芯片的Bonding測試后，結果顯示天線的方向性、增益、阻抗以及帶 寬均滿足設計要求，進一步優(yōu)化則可以滿足實際應用的要求。關鍵詞：射頻識別；應答器；負載彎曲型天線；射頻匹配網(wǎng)絡；超高頻 1995年開始操作，其完成則是在2000年之后，二者皆以13. 56MHz交變信號為載波 頻率。ISO 15693讀寫距離較遠，而ISO 14443讀寫距離稍近，但應用較廣泛。目 前的第二代電子身份證采用的標準是ISO 14443 TYPE B協(xié)議。ISO 14443定義了 TYPE A、TYPE B兩種類

3、型協(xié)議，通信速率為106kbit/s,它們的不同主要在于載 波的調制深度和相位的編碼方式。TYPE A采用開關鍵控(On-Off keying)的 Manchester編碼,TYPE B采用NRZ-L的BPSK編碼。TYPE B與TYPE A相比，具有傳 輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力強的優(yōu)點。RFID的核心是防沖撞技術，這 也是和接觸式IC卡的主要區(qū)別。ISO 14443-3規(guī)定了TYPE A和TYPE B的防沖撞機 制。二者防沖撞機制的原理不同，前者是基于位沖撞檢測協(xié)議，而TYPE B通信系 列命令序列完成防沖撞。ISO 15693采用輪尋機制、分時查詢的方式完成防沖撞 機制。防沖撞機

4、制使得同時處于讀寫區(qū)內的多張卡的正確操作成為可能，既方便 了操作，也提高了操作的速度。3 ISO 18000技術標準：ISO 18000是一系列標準，此標準是目前較新的標準，也是目前最受追捧的 標準之一。原因是它可用于商品的供應鏈，其中的部分標準也正在形成之中。ISO 18000-6基本上是整合了一些現(xiàn)有RFID廠商的減速器規(guī)格和EAN-UCC所提出的應 答器架構要求而訂出的規(guī)范。ISO 18000只規(guī)定了空氣接口協(xié)議，對數(shù)據(jù)內容和 數(shù)據(jù)結構無限制，因此廣泛應用于各個領域。4 EPC系列標準：EPC Global是由UCC和EAN聯(lián)合發(fā)起的非盈利性機構，全球最大的零售商沃爾 瑪連鎖集團、英國T

5、esco等100多家美國和歐洲的流通企業(yè)都是EPC的成員，同時 由美國IBM公司、微軟、Auto-ID Lab等進行技術研究支持。EPC標準分為一代和 二代兩種，用于規(guī)范全球商品貨品編碼，目前最新的EPC GEN2標準已經(jīng)歸為ISO 18000-6 TYPE C,這為UHF頻段全球統(tǒng)一標準奠定了基礎。1.4 RFID應答器的分類RFID技術誕生至今，在使用頻率、電子應答器、讀寫器以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?都呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，很難找到一種方法來給全部的RFID系統(tǒng)進行分類。通常 我們會這樣定義某個產品：13.56MHz無源2KB射頻卡；符合EPCGen2協(xié)議(第二代 協(xié)議)的帶有兩個圓極化天線的固定

6、式讀寫器。類似這樣的說明實際上同時使用 了多種分類方法來縮小特指的范疇。這里僅根據(jù)頻率分類。根據(jù)使用頻率分類：不同的使用頻率會在讀寫距離、數(shù)據(jù)傳輸速度和抗干擾等參數(shù)上產生區(qū)別。 由于頻率的不同，一些電子應答器信號能穿透液體或金屬，而另一些卻被一堵薄 薄的物體所擋住。RFID頻段主要分為四個頻段：低頻(9135KHz),高頻 (13.56MHz),超高頻(300MHzL2GHz),微波(2. 455. 8GHz)。低頻，這一頻 段缺點是讀寫距離只有幾厘米，但是由于該頻段能穿透動物體內的高濕環(huán)境，因 此被廣泛應用于動物識別；高頻，這是一個開放頻段，應答器的識讀距離可達 廣1.5m,寫入距離可達Im

7、,有廣泛的應用基礎。我國的廠商也已具備該頻段應答 器的設計和制造能力，并應用于居民第二代身份證、學生證鐵路優(yōu)惠卡等物品中; 超高頻，這個頻段的應答器和讀寫器在空氣中的有效通信距離最遠。這個頻段的 信號雖然不能穿透金屬和濕氣，但是數(shù)據(jù)傳輸速率更高，并可同時讀取多個應答 器；微波，這個頻段的優(yōu)勢在于其受各種強電磁場的干擾較小，識別距離介于高 頻和超高頻系統(tǒng)之間，而且應答器可以設計得很小，但是成本較高。對于讀寫器 的頻率，一般讀寫器可以捕捉到單一頻率或多種頻率的電子應答器，常見的多頻 讀寫125KHz/2. 45GHz、13. 56MHz/915MHz等。電子應答器與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳 輸技術主要有

8、兩種：電感耦合和電磁反向散射耦合。表1-1不同頻率的RFID系統(tǒng)性能的比較低頻(LF)高頻(HF)超高頻(UHF)微波(MW)工作頻率135KHz13.56MHz433.92MHz860-960MHz2.45GHz帶寬+/-7kHz+/-870kHz幾十到幾百MHz+/-50MHz工作原理電感耦電感耦合電磁反向散射耦合電磁反向散射耦合電磁反向散射耦合識別距離<60cm10cm-l. Oml-100ml-6ml-15m運行方式無源型無源型有源型有源/無源型有源/無源型識別速度/rp、擊 /、宜;擊1氐曜A環(huán)境影響/|X/、聲由1氐埋A"回j恁應答器大小十開入生，小生1.5 RFI

9、D的系統(tǒng)組成一套完整的射頻識別系統(tǒng)一般由應答器(Transponder)、閱讀器(Reader)和 數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)三部分構成。應答器是放置在被識別物體上，用于承載按預先 約定好方式存儲的電子數(shù)據(jù)的電路系統(tǒng)。閱讀器是在一定的范圍內可以與應答器 進行數(shù)據(jù)通訊并完成讀寫功能的裝置，一般包括射頻模塊、控制模塊以及與應答 器連接的耦合元件。射頻模塊主要用于通過無線射頻自動捕獲應答器中的數(shù)據(jù)； 控制模塊主要包括控制器射頻模塊和與外部輸入輸出接口。通過串口RS232、 RS485或RS422將射頻模塊采集到的數(shù)據(jù)實時送入終端處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對物體識別 信息的采集、處理及遠程傳送等。整個系統(tǒng)如圖1-1所示：圖

10、1-1 RFID系統(tǒng)框架圖1.5.1閱讀器閱讀器也稱為讀寫器，是射頻識別系統(tǒng)中重要的組成部分，也是結構最為復 雜，實現(xiàn)功能最多的部件。它在無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)中起到舉足輕重的作 用。首先，閱讀器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻段；其次，閱讀器的功率直接 影響RFID的距離與閱讀效果的好壞。閱讀器完成以下的功能：1閱讀器與應答器之間的通信功能：在規(guī)定的技術條件下，閱讀器與應答器之 間可以進行雙向通信。2閱讀器能夠通過載波為無源應答器提供能量；3閱讀器與計算機之間可以通過標準接口 RS232/485等進行通信，閱讀器可以 通過標準接口與計算機網(wǎng)絡連接，并提供如下信息以實現(xiàn)多閱讀器在系統(tǒng)網(wǎng)絡

11、中進行：本閱讀器的識別碼、讀出應答器的實時時間、讀出的應答器信息。 4能夠在讀寫區(qū)內實現(xiàn)多應答器同時識讀，具備防沖撞功能。5適用于固定和移動應答器的識讀。6能夠校驗讀寫過程中的錯誤信息。對于有源系統(tǒng)，閱讀器能夠識別電池相關信息，如電量。1.5.2應答器應答器是RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，應答器主要由應答器天線、存儲器與控制系 統(tǒng)的低電集成電路組成，通常我們把存儲器和控制系統(tǒng)的低電集成電路用芯片實 現(xiàn)，如圖1-2所示，應答器的設計對于RFID系統(tǒng)十分重要。標簽天線b）圖1-2應答器結構示意圖a）電偶極子天線b）磁偶極子天線圖1-2中所示的應答器天線以簡單的電偶極子和磁偶極子天線表示。應答器 天線通過

12、芯片上的兩個觸點與芯片相連。應答器芯片由微處理器、存儲器、整流 電路（AC/DC）、編解碼電路等幾部分組成。通常，在頻率較低時，如HF及以下，采用的是圖l-2b所示的磁偶極子天線， 天線只在近區(qū)場（感應場）工作，并且場強隨應答器距離讀寫器的距離增加而急 劇減小。電場強度與距離的二次方成反比。應答器天線的設計是在已知芯片兩觸 點輸出阻抗的情況下，獲得與芯片的最佳匹配，從而可以獲得讀寫器與應答器之 間的最大識別距離。1.6 RFID的工作原理目前，RFID應答器工作主要集中在LF、HF、UHF和微波頻段。應答器和讀寫 器之間的數(shù)據(jù)通信一般通過兩種耦合方式進行：電感耦合：使用感應磁場進行能量傳遞和數(shù)

13、據(jù)交換。它所使用的原理和變壓 器的工作原理相同。讀寫器天線產生一個電磁場，應答器線圈通過該電磁場感應 出電壓，以提供應答器工作的能量。從讀寫器到應答器的數(shù)據(jù)傳輸是通過改變傳 輸場的一個參數(shù)來實現(xiàn)的（幅度、頻率或者相位）。從應答器返回的數(shù)據(jù)傳輸通 過改變場的負載來實現(xiàn)（幅度、和/或相位）。該耦合方式適用于近場耦合，用 于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻段有：125KHz、225KHz 和13. 56MHz,識別距離小于Im,典型作用距離為1020cm。電磁反向散射耦合：雷達原理模型，發(fā)射后的電磁波碰到目標后被反射回來, 同時帶回目標信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳輸規(guī)律，主要用于UHF

14、頻段和微波 頻段。本文所要研究的RFID應答器工作頻率為915MHz,下面主要介紹UHF以及微 波頻段RFID應答器的工作原理。1.6.1 UHF以及微波頻段閱讀器工作原理對于UHF頻段的RFID系統(tǒng)，閱讀器的性能要求是十分苛刻的。從工作原理上 來講，閱讀器根據(jù)系統(tǒng)的需要，通過天線向空間發(fā)送一定頻率的載波，并根據(jù)協(xié) 議規(guī)定，在載波上附加調制信號傳送到進入有效閱讀區(qū)域內的應答器內，應答器 根據(jù)需要，通過反向發(fā)射方式向閱讀器返回信號完成通訊。由于超高頻RFID系統(tǒng) 要求實現(xiàn)遠距離讀寫，而應答器又是無源芯片，只能反射能量，這就要求讀寫器 具有很高的接受靈敏度，一般要能接收-90dBm的信號。接收和發(fā)

15、射分兩路進行，中間依靠環(huán)形器隔離，事實上，環(huán)形器的隔離度十 分重要，在一定程度上決定了系統(tǒng)的整體性能。下行信號通過天線接收進來，通 過混頻器與本地振蕩器進行混頻，得到的中頻信號經(jīng)過VGA （可控增益放大器） 和ADC （模擬數(shù)字轉換器）變換到基帶部分可以處理的數(shù)字信號，而基帶部分一 般是用DSP實現(xiàn)的。上行信號由基帶產生，經(jīng)由DAC （數(shù)字模擬轉換器）得到低頻 模擬信號，調制到高頻信號后再由功率放大器輸出至天線，完成發(fā)射。該電路結 構同一般的射頻收發(fā)系統(tǒng)沒有本質上的區(qū)別，只是在設計指標上對于動態(tài)范圍的 要求和線性度的要求比較苛刻，因此無論是功耗還是成本都要高于HF頻段的設 備。1.6.2 UH

16、F以及微波頻段應答器工作原理工作在UHF或者更高頻段的被動式應答器利用的是與LF、HF相同的調制原理, 同樣也是從讀寫器獲得能量和信息。所不同的是，它們的能量轉移方式即應答器 獲得能量的方式不同。在UHF這種工作模式下，就沒有利用類似于HF頻段電感耦 合的可能性，因為應答器天線已經(jīng)不在近場的作用范圍內了。遠區(qū)場中這種電磁 波的傳輸是基于電波傳輸理論的。當電磁波遇到應答器的天線時，一部分能量被 應答器吸收用來對內部芯片進行供電，另一部分能量通過電磁反向散射的方式被 反射回讀寫器。在遠場情形中，應答器天線一般為偶極子天線，理論計算表明， 為了達到最大的能量傳輸效率，偶極子的長度必須等于“在UHF

17、(915MHz) 頻段大約為16cm。在實際中，一般偶極子天線是由兩個對稱長度的天線構成的。 如果背離這一尺寸就將會對性能產生巨大的影響。與UHF和微波頻段系統(tǒng)不同，LF、HF系統(tǒng)的射頻場不會被水和人體生物組織 等吸收，因為它的魯棒性更強，水和潮濕空氣等對其的影響可以忽略。電磁反向 散射耦合這種方式，現(xiàn)在還存在很多問題需要解決。所以它的應用遠不如HF中的 電感耦合那么廣。對于UHF頻段，從讀寫器發(fā)出的讀寫信號，不僅僅會被應答器 天線反射，而且還會被任意波長和波長滿足一定尺寸關系的物體反射。這些反射 信號，會減弱甚至抵消遠場的電磁信號。1.7 RFID技術的發(fā)展方向據(jù)Deloitte研究中心的分

18、析和預測，從2007年開始，供應鏈將成為推動RFID 的主要產業(yè)，而且每年都在高速成長，推動RFID產業(yè)不斷前進。至2009年，約70 % 的RFID應用都在供應鏈產業(yè)中。RFID技術的發(fā)展，一方面受到應用需求的驅動， 另一方面RFID的成功應用反過來又極大地促進了應用需求規(guī)模的擴展。從技術 角度說，RFID技術的發(fā)展體現(xiàn)在若干關鍵技術的突破上;從應用角度來說，RFID 技術的發(fā)展目的在于不斷滿足日益增漲的應用需求。盡管RFID技術己經(jīng)應用于多 個領域，但是目前的應用主要局限在封閉市場內，因此其市場規(guī)模受到了極大 的限制。隨著RFID技術的發(fā)展演進以及相關產品成本的降低，未來幾年內RFID 技

19、術主要將以供應鏈的應用為贏利主體，全球開放的市場將為R F D帶來巨大的 商機。簡單來講，從采購、倉儲、生產、包裝、卸載、流通加工、配送、銷售到 服務，這些供應鏈上的業(yè)務流程和環(huán)節(jié)都將是RFID應用的領域。在供應鏈運轉時, 企業(yè)必須隨時隨地、精確有效的掌握供應鏈上的商流、物流、信息流和資金流， 才能夠使企業(yè)發(fā)揮出最大的效率和效益。但實際上，物體在流動的過程中各種環(huán)節(jié)處于松散的狀況，商流、物流、信 息流和資金流常常隨著時間和位置的變化而變化，使得企業(yè)對這四種流的控制能 力大大下降，從而產生失誤造成不必要的損失。RFID技術正是有效解決供應鏈上 各項業(yè)務運作資料的輸入與輸出、業(yè)務過程的控制與跟蹤，

20、以及減少出錯率等難 題的一種技術。例如，香港工業(yè)工程師學會及香港生產力促進局開展的一項名為 “提升制造及工業(yè)工程師應用無線標簽來實施供應鏈管理“的項目就主要是為 香港制造及工業(yè)工程師設計的。港府借助于RFID技術在產品供應鏈上的每個環(huán)節(jié) 發(fā)揮的效用，實現(xiàn)了物料供應、生產、貯存、包裝，以及物流、貨運出境、船 務運輸，存貨控制及零售等各個環(huán)節(jié)的管理，幫助企業(yè)加快物流速度，改善生產 效率，促進貿易活動。RFID技術未來的發(fā)展將得益于多項關鍵技術的突破，所涉 及的關鍵技術大致包括：芯片技術、天線技術、無線收發(fā)技術、數(shù)據(jù)變換與編碼 技術、電磁傳播特性研究等。隨著技術的不斷進步，RFID產品的種類將越來越

21、豐 富，應用也越來越廣泛?？梢灶A計，在未來的幾年中，RFID技術將持續(xù)保持高速 發(fā)展的勢頭。RFID技術的發(fā)展將會在電子標簽、閱讀器、系統(tǒng)種類、標準化等方 面取得新的進展。電子標簽方面：電子標簽芯片所需的功耗更低，無源標簽、半無源標簽的技術更趨成熟。1作用距離更遠。2無線可讀寫性能更加完善.3適合高速移動物品識別。4快速多標簽讀/寫功能。5 一致性更好。6強場強下的自我保護功能更完善.7芯片智能性更好。8成本更低。閱讀器方面：1多功能要求（與條碼識讀集成、無線數(shù)據(jù)傳輸、脫機工作等）。2智能多天線端口。3多種數(shù)據(jù)接口（ RS232 ,RS4221485 , USB ,紅外，以太網(wǎng)口等）4多制式兼

22、容性（兼容讀寫多種標簽類型）5小型化、便攜式、嵌入式、模塊化.6多頻段兼容性。系統(tǒng)種類方面:1低頻近距離系統(tǒng)具有更高的智能、安全特性。2高頻遠距離系統(tǒng)性能更加先進，系統(tǒng)更加完善。標準化方面：1標準化基礎性研究更加深入、成熟.2標準化為更多企業(yè)所接受。3系統(tǒng)、模塊可替換性更好、更為普及。當然，RFID的發(fā)展也面臨一些障礙，其中最主要的是RFID電子標簽的價格問 題。標簽價格將直接影響RFID的市場規(guī)模，經(jīng)市場研究調查顯示，價格在5美元 以上的芯片主要為應用于軍事、生物科技和醫(yī)療方面的有源器件，10美分- 1美 元左右的常為用于運輸、倉儲、包裝、文件等的無源器件，消費應用如零售的標 簽應在5-10

23、美分之間，醫(yī)藥、各種票證（車票、入場券等）、貨幣等應用的標 簽則在5美分以下。其次是隱私權的問題難于解決，由于在非接觸的條件下，可 以對標簽中的數(shù)據(jù)進行讀取，這引發(fā)了人們對RFID技術侵犯個人隱私權的爭議。 盡管如此,RFID技術所獨有的優(yōu)勢，最終將在全球市場上形成一個巨大的產業(yè)鏈, 值得各個領域加以關注。我國RFID技術的研發(fā)與應用起步較晚，雖然經(jīng)過近幾年的努力，高頻和低 頻RFID系統(tǒng)已實現(xiàn)了國產化，部分行業(yè)和地方也已部署了RED的應用。但我國自 動化技術協(xié)會射頻工作組的會員企業(yè)大部分是做RFID相關系統(tǒng)集成和系統(tǒng)解決 方案的。在RFID技術研發(fā)和產品產業(yè)化方面，尤其是在超高頻段的整體技術

24、水平 方面，我國與國外相比還是有很大的差距。國內目前正在使用的超高頻RFID產品 絕大部分是進口的，這對我國自主技術和產業(yè)的發(fā)展十分不利。相對于條碼技術 而言，無線射頻識別技術是自動識別領域的一場新技術革命，其應用也剛剛啟 動，這將是我國自動識別行業(yè)跟上國外發(fā)展浪潮的難得機遇。第二章 RFID天線作為任何一個無線電通信系統(tǒng)都不可缺少的重要組成部分，天線是一種以電 磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器 件，用來實現(xiàn)導行波與自由空間波之間能量的轉化。合理慎重地選用天線，可以 取得較遠的通信距離和良好的通信效果。各類無線電設備所要執(zhí)行的任務雖然不 同，但天線在設備中的

25、作用卻是基本相同的:任何無線電設備都是通過無線電波 來傳遞信息，因此就必須有能輻射或接收電磁波的裝置。所以，天線的第一個作 用就是輻射和接收電磁波.當然能輻射或接收電磁波的東西不一定都能用來作為 天線。例如任何高頻電路只要不是完全屏蔽起來的，都可以向周圍空間或多或少 地輻射電磁波，或者從周圍空間或多或少地接收到電磁波。但是任意一個高頻電 路并不一定能作天線，因為它輻射和接收電磁波的效率很低。只有那些能夠有效 地輻射和接收電磁波的設備才有可能作為天線使用。天線的另一個作用是“能量 轉換”。大家知道，發(fā)信機通過饋線送入天線的并不是無線電波，收信天線也不 能直接把無線電波送入收信機，這里有一個能量的

26、轉換過程，即把發(fā)信機所產生 的高頻振蕩電流經(jīng)饋線送入天線輸入端，天線要把高頻電流轉換為空間高頻電磁 波，以電磁波的形式向周圍空間輻射。反之在接收時，也是通過收信天線把截獲 的高頻電磁波的能量轉換成高頻電流的能量后再送給收信機。顯然這里有一個轉 換效率問題，天線增益越高，則轉換效率就越高。在RFID系統(tǒng)中，天線分為標簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔接收能量 和發(fā)射能量的作用。不同工作頻段的RED系統(tǒng)天線的原理和設計有著根本上的不 同，RFID天線的增益和阻抗特性會對RFID系統(tǒng)的作用距離等產生影響，RFID系統(tǒng) 的工作頻段反過來對天線尺寸以及輻射損耗又有一定要求，所以RFID天線設計的 好壞關

27、系到整個RFID系統(tǒng)的成功與否。在天線的設計時，我們主要考慮兩方面， 一是設計尺寸合適的天線，二是搭建天線與后端芯片之間的匹配電路。這一章我 們主要研究RFID天線的相關理論和RFID天線的設計要點。2.1天線場區(qū)和對應天線研究一般來說，距離天線越近，天線的場強越強。但是隨著距離天線的遠近不同, 天線周圍電磁場也有不同的分布特點。一般根據(jù)分布特點的不同，天線場區(qū)被劃 分為無功近場和輻射遠場兩類：無功近場中的能量以磁場，電場的形式相互轉換 但并不向外傳播，輻射遠場中的能量則以電磁波的形式向外傳播。2.1.1天線的近場區(qū)LF和HF頻段的RFID系統(tǒng)一般工作在天線的無功近場區(qū)。無功近場區(qū)又稱為 電抗

28、近場區(qū)，它是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區(qū)域。在該區(qū)域中點抗 性的儲能場占支配地位。通常，該區(qū)域的最遠邊界取決為距天線口徑表面距離是:R = 4/2 兀(2-1)其中人為電磁波波長。根據(jù)電磁波傳播原理，近場區(qū)天線的相關電磁場公式是：Idl人E - j 7/ocos Or + sin 00)(2-2)4矽廣H = _sin6&廣(2-3)由上式可知，在近場區(qū)，天線的電場強度和磁場強度沒有確定的線性關系。 電場強度隨距離的三次方衰減，磁場強度隨距離的二次方衰減，且電磁場分量的 相位差為90度，波印廷矢量S = ExH為虛數(shù)，能量不向外輻射，只在天線的表 面附近進行電能和磁能的轉換。從

29、物理概念上講，無功近場區(qū)是一個儲能場，其 中的電場和磁場之間的能量轉換類似于變壓器，電子標簽和閱讀器兩者的線圈相 當于變壓器的初級線圈和次級線圈，他們之間只能通過電場和磁場以及附近電容 電感的儲能方式來進行能量轉換，束縛于天線的電磁場未能做功，只進行電場能 量和磁場能量的相互轉換，顧無實際的能量消耗。在該區(qū)域中，RFID的工作方式 為電感耦合，該區(qū)域電子標簽所需的能量都是通過電感耦合方式由閱讀器的耦合 線圈輻射近場獲得。如果在其附近還有金屬等物體，這些物體會以類似電感耦合 的方式影響儲能場，因而在我們的研究當中也可以將這些金屬物與天線組合看做 一個全新的天線進行電磁場分析。近場天線與遠場天線相

30、比，其優(yōu)點就是它能夠 更好的適應金屬和液體。ABSTRACTEmerging as an automatic identification technology, radio frequency identification technology (RFID) has been hailed as the 21st century's most revolutionary technologies of wireless communications. It is based on the spatial coupling of RF signals in electromagneti

31、c field theory and the transmission characteristics of wireless signals through two-way communication, automatic identification and extraction of relevant information objects. Radio frequency identification technology system is divided into low-frequency, high frequency, ultrahigh frequency, microwa

32、ve frequency band four. At present, the most optimistic about the future of ultra-high frequency band is the largest commercial market band, but also the technically band is the most difficult to achieve. Radio frequency systems can be divided into active systems, passive and semi-active system, the

33、 main concern of this article is passive UHF RFID transponder technology electronic antenna research.In ultra-high frequency passive RFID transponder design, antenna design is the most important. There are many types of antennas, the paper against the bending load for the corresponding antenna resea

34、rch and design and the content and the results of the simulation. Antenna design using the HFSS software simulation and testing platform for use on the antenna performance testing, with the chip Bonding test results showed that the directional antenna gain, impedance and bandwidth to meet the design

35、 requirements are to further optimize it to meet the practical applications.Key words： radio frequency identification; transponder; Bending load antenna; RF matching networks ; UHF因為在天線近場實際不涉及電磁波的傳播問題，RFID天線設計比較簡單，一 般采用工藝簡單，成本低廉的線圈型天線。線圈式天線實質上就是一個諧振電路, 當其工作在相應的指定頻率上，感應阻抗等于電容阻抗的時候，線圈天線就會產 生諧振。諧振回路的諧振

36、頻率公式為：F = !=(2-4)ZjlyjLC式中L是天線的線圈電感，C是天線的線圈電容。例如，高頻段RFID的線圈天線諧振工作頻率為13.56MHZ, HF波段的RFID應用 系統(tǒng)就是通過這一頻率的載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信的。某些特殊的應用環(huán)境會要求 RFID線圈的外形很小，而且還要有一定的工作距離，這樣必然會使線圈天線的互 感量減小。為了解決這個問題，目前通常是在線圈內部插入具有高導磁率u的鐵 氧體材料以增大互感，從而補償線圈橫截面減小的問題。很明顯，近場天線的工 作原理完全類似于我們熟知的變壓器原理，理論相對比較簡單。天線的作用有兩個，一個是建立穩(wěn)定的激勵磁場，另一個是接受調制信號。 標簽

37、要在距離一定距離的地方獲得穩(wěn)定的工作電源，就必須和天線有較大的互感 系數(shù)，同時天線的磁通也要盡可能的大。天線要在與標簽保持一定距離的地方獲 得較強的調制信號，就必須有合適的品質因數(shù)。天線的性能與它的品質因數(shù)有關, 一般來說Q值越高，天線的輸出能量越高，但Q值太高，容易干擾讀取器的帶通特 性，而且無法遵從協(xié)議標準。一般情況下，大多數(shù)系統(tǒng)的最佳品質因數(shù)為10-30, 最大不能超過60.一般來說，Q值取20比較合適。當品質因數(shù)Q=20時，系統(tǒng)的帶通 特性較好，帶寬也比較大。2.1.2天線的遠場區(qū)對于超高頻和微波頻段，閱讀器天線要為標簽天線提供能量或喚醒半有源標 簽，工作距離較遠，一般位于閱讀器輻射場

38、區(qū)。輻射場區(qū)的電磁場能量已經(jīng)脫離 了天線的束縛，并作為電子波進入自由空間。下面這節(jié)我們將著重討論輻射場區(qū) 天線的理論基礎和分析。輻射場區(qū)包括輻射近場和輻射遠場，都會向外圍空間輻射電磁波，能量以輻 射波的形式消耗掉。對于通常的天線，輻射近場區(qū)也稱為菲涅爾區(qū)。在輻射近場 區(qū)輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距天線口徑的距離有關，天線各單元 對觀察點輻射場的貢獻，其相對相位和相對幅度都是與天線距離的函數(shù)。輻射遠 場區(qū)即人們所說的遠場區(qū)，又稱為弗朗荷費區(qū)。在輻射遠場區(qū)中，輻射場的角度 與距離無關。嚴格的講，只有離天線無窮遠處才達到天線的遠場區(qū)，但從某個距 離開始，輻射場角度分布與無窮遠處的角度分布誤

39、差在允許的范圍以內時，即把 該點至無窮遠的區(qū)域等效為天線的遠場區(qū)。目前公認的輻射近場區(qū)與輻射遠場區(qū) 的分界距離R公式為：R = 21(2-5)式中L為天線的直徑，人為電磁波波長，L"。對于RFID系統(tǒng)而言由于對標簽尺寸要求的限制以及閱讀器天線應用時的尺 寸限制，實際工程應用的絕大多數(shù)情況下我們采用的是1的天線結構模 式，一般我們稱此種滿足1/A<< 1的天線稱為小天線。理論研究表明，小天線周 圍沒有輻射近場區(qū)，只存在無功近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。超過無功近場區(qū)的邊界， 輻射遠場就占主要優(yōu)勢了。對于給定額定工作頻率，無功近場區(qū)的外場基本由波 長決定，輻射遠場區(qū)的內界應滿足大于無功

40、近場區(qū)外界的約束。由電磁場原理和麥克斯韋方程組，我們可以得到遠場天線的電磁場公式為：出AE= /臺。座一浙 sin。(2-6)E = /史慶一所 sin。(2-7)4m由上式可知，遠場區(qū)的電場強度和磁場強度數(shù)值上相對近場區(qū)要小，且電場強度 和磁場強度有著明顯的線性關系。E =(2-8)而且，遠場區(qū)的電場強度和磁場強度都隨距離的一次方衰減，電場磁場方向 相互垂直，且都垂直與電磁場的傳播方向。波印廷矢量S = ExHJ實數(shù)，電磁 場以電磁波形式向外輻射能量。此時，天線設計對系統(tǒng)性能影響較大，RFID系統(tǒng) 中多采用偶極子型或微帶天線，下面分別予以詳細分析。2.1.3偶極子天線偶極子天線，又稱為對稱振

41、子天線，它是由兩段同樣粗細和等長的直導體線 排成一條直線構成。信號從中間的兩個端點之間饋入，在偶極子的兩臂上產生一 定的電流分布，這種電流分布就會在天線周圍空間激發(fā)起電磁場。我們常見的半 波偶極子天線每一臂的長度約為4/4雙臂的總長就是人/2。當振子長度遠小于波 長的時候，天線幾乎沒有輻射；當天線長度與波長一個數(shù)量級的時候。輻射電流 大大增加，天線周圍形成電磁場輻射。假如天線上的電流分布是已知的，則有電 基本振子的輻射場沿整個導線積分，便得到對稱振子天線的輻射場。然而，即使 振子是有理想的導體構成，要精確求解這種幾何結構簡單，直徑為有限的天線上 的電流分仍然是很困難的。目前的研究中，我們將半波

42、偶極子天線等效為張開180 度而成的開路傳輸線，也就是可用傳輸線的理論來分析半波偶極子天線的輻射場 規(guī)律。由電路分析中最經(jīng)典的微小元近似等效法，我們將半波偶極子天線等效看 做是由N個長度為dz微小電流元組成。每個微小電流元在dz上的電流是等副通向 的，但在沿振子臂方向上的電流則是按正弦分布的。利用麥克斯韋方程將無數(shù)個 微小電流元產生的輻射場疊加就可以求出整個半波偶極子天線的輻射場方程。令半波偶極子天線的中心為坐標的中心，振子沿z軸放置，如圖2-1所示。e圖2-1半波偶極子天線示意圖設r是振子中心到觀察點的距離，°為振子到軸到r的夾角，h為單個振子臂長 度，波腹電流為I，"，

43、"為電流的傳輸相移常數(shù)，設天線直徑L遠遠 電磁波波長 九，理想無損耗時(2-9)此時沿振子臂分布的電流公式為:(一/z < z< h)在距離中心為z處取電流微小元dz ,欺輻射的能夠為7T(2-10)(2-11)在遠場區(qū)，由于距離足夠遠,我們可將"尸，貝U細振子天線的輻射電場為dE0 =/刀一sinOfqin 月(/z_|z|)(2-12)F(0) =cos 例 cos。）一cos伽sin。(2-13)% = f dEo由電場和磁場的線性公式可得細振子天線的輻射磁場公式:(2-14)I F（9） |即是對稱振子E面方向函數(shù)，它表征了歸一化遠去場| F（9） |隨

44、。角的 變化情況。由以上式子可知，偶極子天線的輻射場強的大小與離振子的距離r成 反比，形成一個球面波狀的輻射場，等r值的球面是偶極子天線的等相位面。從 中可的，偶極子天線方向性僅與。有關而與，無關，其輻射的立體方向圖是以天 線為中心軸回旋體。按照天線的功率計算公式，我們帶入前式得到半波偶極子天線的輻射功率佐=/|f（6）|2 sinOdOd（j）（2-15）同時可得半波偶極子天線的輻射電阻公式：R =sineded(/)(2-16)在工程上長度為h的耗線的輸入阻抗近似為：z疽一Czcos 仞<2-17)sirr ph式中的R是半波偶極子天線的輻射電阻，7是平均特性阻抗，h為單個振子 臂的

45、長度。我們在實際計算當中，一般通過高頻軟件HFSS進行天線仿真，可以得 到高精度的天線阻抗，輸入回波損耗，阻抗帶寬和天線增益等特性參數(shù)。在RFID電子標簽中使用最多的偶極子天線類型是曲折型的折合偶極子天線。 如圖2-2所示。圖2-2曲折型的折合偶極子天線曲折型的折合偶極子天線利用曲折的形狀在有限的長內增加感應電流的流 經(jīng)路程，選擇合適的曲折形狀就可以得到較為理想的天線輻射電磁場。當單個振 子臂長為/ = 4時，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。42.1.4微帶天線可用在RFID系統(tǒng)中的還有一種重要的天線類型：以剖面低，增益高，結構堅 固及密封性能可靠等有點出名的微帶天線。早

46、在1953年，G. A. Deschamps教授就以提出利用微帶線的輻射來制成微帶天 線的概念。隨著對低剖面天線的迫切需求，伴隨集成技術和低耗介質板技術的發(fā) 展，微帶天線的研究從70年代迅速發(fā)展起來。時至今日，微帶天線的研究仍為天 線研究領域中一個十分重要的方向，現(xiàn)在已被廣泛的應用于各個領域。微帶天線主要應用在大約lOOMHz-lOOGHz的寬帶頻域上的大量無線電設備 中，特別是飛行器上和地面便攜式設備中。在要求底剖面輻射器的場合，及時微 帶天線某些性能不如常規(guī)天線，也往往被優(yōu)先選用。由于微帶天線高度集成化， 相對于傳統(tǒng)天線它在超高頻波段有巨大優(yōu)勢。隨著個人移動通信技術的迅猛發(fā) 展，微帶天線在

47、各種民用通信中的應用也越來越廣泛。主要應用領域包括衛(wèi)星通 信，移動通信，GPS以及遠程搖桿等。微帶天線和常用天線相比有如下一些優(yōu)點：1體積小，重量輕，低剖面，平面結構可與載體共形。除了在饋電處要開除引 線孔外，不破換載體的機械結構，這對于高速飛行器特別有利。2特殊設計的微帶元還可以實現(xiàn)雙頻，雙極化等多功能工作，易于得到各種計 劃模式;能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向。相同結 構的微帶貼片天線可以組成微帶貼片天線陣，以獲得更高的增益和更大的帶寬。 電器性能多樣化。和其它天線相比，它也有一些缺點：1頻帶較窄，主要是諧振式微帶天線，不適合大范圍變頻的情況。2損耗較大其中包括導體

48、損耗和介質損耗，并且會激勵表面波，導致輻射效率 底，這類似于微帶電路。特別是行波型微帶天線，在匹配負載上有較大損耗。3單個微帶天線的功率容量較小，一般用于中小功率場合。4 介質基板對性能的影響大。由于工藝條件的限制，批量生產的介質基片的均 勻性和一致性還有欠缺，這影響了微帶天線的批量生產和大型天線陣的構建。通 常微帶天線的介質基片的厚度和波長相比是很小的，屬于微小天線。根據(jù)貼片形 狀和饋電方式的不同，我們將微帶天線劃分為以下幾大類：微帶貼片天線是最常用的微帶天線，它有帶有導體接地板的介質基片上貼加 導體薄皮而形成，天線上的導體貼片一般是形狀規(guī)則的面積單元，如矩形，圓形 等。其最大的特點是效率高

49、，但阻抗頻帶較窄。微帶貼片天線通常利用微帶線或 同軸線等饋線進行饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼 片四周與接地板的縫隙向外輻射。就微帶貼片天線而言根據(jù)其極化方式的不同又 分為線極化和圓極化兩種，產生線極化的微帶貼片天線成為線極化微帶貼片天 線，產生圓極化波的微帶貼片天線成為圓極化微帶貼片天線，其中圓極化天線的 應用范圍更廣。當前用微帶貼片天線實現(xiàn)圓極化輻射的方法主要有以下幾種：正 交饋電的單片圓極化微帶貼片天線；一點饋電的單片圓極化微帶貼片天線；由曲 線微帶構成的寬頻帶圓極化微帶貼片天線；微帶貼片天線陣構成的圓極化微帶貼 片天線。微帶陣子天線的導體貼片是窄長條形的薄片振子

50、，主要有兩種類型：一種是 矩形微帶振子天線，它可以看成由矩形片狀天線的一個窄條構成；另一個是把細 線振子嵌入在一個接地薄片介質基片上的細線振子天線。它的長度可與波長相比 擬，其橫截面是圓形，并且直徑遠小于波長。這類振子天線除了具有一般微帶天 線的優(yōu)點外，它還具有結構簡單，更高的集成度以及更大的帶寬優(yōu)點。因此在微 波的高波段一致遠紅外線中，微帶振子天線得到了日益廣泛的應用。如果利用微帶天線的某種變形（如直角彎頭，弧形彎曲等）來產生輻射，便 成為微帶線性天線。這種天線得多沿線傳輸行波，所以也成為微帶行波天線。貼 片及微帶振子天線均具有諧振特性，除非采取特殊措施外，一般很難在寬頻帶工 作。第四種微帶

51、天線則是利用開在接的板上的縫隙來產生電磁輻射由介質基片 另一側的微帶線或其它饋線對其饋電。此種類型的天線被稱為微帶縫隙天線或 微帶開槽天線。當期滿足某些特定的工作條件下，電磁能量將以空間波的形式向 外輻射，所以也被稱為微帶漏波天線。微帶縫隙天線傳輸電磁波的同時不斷向空 間輻射能量，帶式均勻微帶天線沒有輻射，因此微帶縫隙天線一般為周期結構或 傳輸模式上的結構。與上述微帶天線相比，微帶縫隙天線具有引人注目的寬頻特 性，同時具有饋電簡單，波束窄，波束方向隨頻率可變的優(yōu)點。但這種天線的效 率較低并且在分析方法上還不很成熟，因此其應用范圍不是很廣泛。上面我們是按結構特點把微帶天線分為四類，即微帶貼片天線

52、，微帶振子天 線，微帶線形天線，微帶縫隙天線；此外，我們還可以按形狀分類，例如圓形， 矩形，環(huán)形微帶天線等；按工作原理分類，則可以分為諧振型（駐波型）分諧振 型（行波型）微帶天線，前一類天線有特定的尺寸，一般只能工作在諧振頻率附 近；而后一類沒有諧振尺寸的限制，它的末端要加匹配負載以保證傳輸行波。微 帶天線常用的饋電方式，目前來說主要有三種：長邊帶饋電，同軸線饋電以及共 面波導饋電。下面重點介紹一下RFID系統(tǒng)中微帶貼片天線。微帶貼片天線通常是由金屬貼 片按在接地平面上一個薄層電解質（基片）表面所構成，實際結構如圖2-3所示。做搟咕片介度基片轄探It （仗電點）圖2-3微帶天線示意圖微帶貼片天

53、線質量輕，體積小，剖面薄，饋線和匹配網(wǎng)絡可以和天線同時制 作，也可以與通信系統(tǒng)的印刷電路集成在一起，貼片又可以采用光刻工藝制造， 成本低，易于大量生產。正因如此，微帶貼片天線一起饋電方式和極化制式的多 樣化以及饋電網(wǎng)絡，有原電路集成一天化等印刷天線類的主角。通常微帶貼片天線的輻射導體與金屬底板的距離僅有幾十分之一波長，假設 輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化，僅沿半個波長的導體長度方向 變化，則微帶貼片天線的輻射場基本上由貼片導體開路邊沿的邊緣場強引起。在 兩邊的場強相對底板可以分解為法向量和切向量，因為貼片長為半波長，所以有 法向分量產生的遠區(qū)場強在正面方向上相互抵消，平行于底板的切

54、向分量相同， 因此和成場增強，從而使垂直于結構表面方向上的輻射場強最強。所以，貼片可 以表示為相距同相激勵并向地板以上空間輻射的兩個縫隙，輻射方向基本 確定。因此，微帶貼片天線非常適用于通信方向變化不大的RFID應用系統(tǒng)中，比 較常用作RFID閱讀器天線。對于近距離RFID系統(tǒng)，閱讀器天線一般和閱讀器集成 在一起。對于遠距離的RFID系統(tǒng)，閱讀器天線和閱讀器一般采用分離式結構，通 過阻抗匹配的同軸電纜連接。一般來說，方向性天線由于具有較少回波損耗，比較適合電子標簽使用；由 于標簽放置方向不可控，閱讀器天線一般采用圓極化方式，還要求有地剖面，小 型化以及多頻段覆蓋等特點。對于分離式閱讀器，則還將

55、涉及到天線陣的設計問 題。目前，國外已經(jīng)開始研究在閱讀器中應用智能波束掃描天線陣：閱讀器可以 按照一定的處理順序，“智能”的打開不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知到不同天線 覆蓋區(qū)域的標簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍。2.2天線的基本分析理論天線分析的基本問題是求解天線在周圍空間建立的電磁場，求的電磁場后， 進而得出其方向圖，增益和輸入阻抗等特性指標。雖然天線的分析方法很多，但 是就設計成本和推算而論，有一個最佳的方法，即嘗試用簡單的表示式推算天線 參數(shù)使得其與實驗得到一致的結果。目前來說分析天線的方法主要有矢量位法， 并矢格林函數(shù)法，導線網(wǎng)模型法，輻射孔徑法，腔體模型模式展開法和傳輸線模 型法等。目前六種模型

56、在預測微帶輻射器性能方面都僅有部分成功的，并要求大 量的計算。最早出現(xiàn)的也是最簡單的傳輸線模型。Munson和Derneryd的傳輸線模型適合 大多數(shù)工程應用的要求，物理概念清晰，能比較準確的預計天線的輻射特性，給 數(shù)有用的工程設計數(shù)據(jù)，并且需要的計算量不大。傳輸線模型法主要用于偶極子 天線和矩形微帶貼片天線等。傳輸線模型法把天線看成兩端開路的微帶傳輸線， 假設場沿傳輸線橫向沒有變化，只沿縱向成駐波分布，輻射主要由兩開路端的縫 隙產生，這是一種一維空間的分析方法。傳輸線法的基本假設：1微帶片和接地板構成一段微帶傳輸線，傳輸準TEM波，電磁波的傳輸方向決定 于饋電點，在傳輸方向上電磁場是駐波分布

57、，而在其垂直方向是常數(shù)。2傳輸線的兩個開口端（始端和末端）等效為兩個輻射縫，輻射縫口徑場即為傳 輸線開口端場強?？p平面看作位于微帶片兩端的延伸面上，即是將開口面向上折 轉90,而開口場強隨之折轉。根據(jù)以上兩條基本假設，天線單元可以看作一個電磁場沒有橫向變化的傳輸 線諧振器，電磁場只沿長度方向變化（通常長度是半個波長），輻射主要由開路端 的邊緣產生。傳輸線法也有一定的局限性，其應用范圍只限于偶極子天線、矩形 微帶天線及微帶振子等，而且除了諧振點外，輸入阻抗隨頻率變化的曲線不準確。 傳輸線法另外一個缺陷是縫導納的計算，由于通常采用準靜法計算它的電納部 分，所得到的等效伸長量在高頻條件下不夠準確，所

58、以實際上通常是通過實測來 確定伸長量。更嚴格，更有用的是空腔模型理論，可以用于各種規(guī)則貼片，但基本上限于 天線厚度遠小于波長的情況。空腔模型法把微帶貼片與接地板之間的空腔看成是 上下為電壁、四周為磁壁的有損耗的諧振腔，主要的損耗是由貼片邊緣泄漏出去 的輻射損耗，天線的輻射可以看成是由空腔四周的等效磁流產生的。空腔模型法 假設電磁場在與貼片垂直的方向沒有變化，是一種二維空間的分析方法，適用于 基片厚度遠小于波長的情況。最嚴格且計算最為復雜的是積分方程法，即全波理論。如果應用適當，全波 理論是最準確的，這個理論非常通用，可以分析單個貼片，有限和無限陣列，任 意形狀單元和禍合等。從原理上說，它可以用于各種結構、任