1.RFID射頻識別天線類型

RFID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(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。在RFID射頻識別系統(tǒng)中，天線分為電子RFID電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用。當(dāng)前的RFID射頻識別系統(tǒng)主要集中在LF、HF(13.56MHz)、UHF(860-960MHz)和微波頻段，不同工作頻段的RFID射頻識別系統(tǒng)天線的原理和設(shè)計(jì)有著根本上的不同。RFID射頻識別天線的增益和阻抗特性會對RFID自動識別系統(tǒng)的作用距離等產(chǎn)生影響，RFID射頻識別系統(tǒng)的工作頻段反過來對天線尺寸以及輻射損耗有一定要求。所以RFID射頻識別天線設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)RFID自動識別系統(tǒng)的成功與否。

1.1近場天線

對于LF和HF頻段，系統(tǒng)工作在天線的近場，RFID電子標(biāo)簽所需的能量都是通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場獲得，工作方式為電感耦合。電場強(qiáng)度隨距離的三次方衰減，磁場強(qiáng)度隨距離的二次方衰減，且電磁場分量相位差為90○，波印廷矢量為虛數(shù)，能量不向外輻射，只在天線表面附近進(jìn)行電能和磁能的交換。因?yàn)樵诮鼒鰧?shí)際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設(shè)計(jì)比較簡單，一般采用工藝簡單、成本低廉的線圈型天線。

線圈型天線實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)諧振電路。在指定的工作頻率上，當(dāng)感應(yīng)阻抗等于電容阻抗的時(shí)候，線圈天線就會產(chǎn)生諧振。諧振回路的諧振頻率為:(L是天線的線圈電感、C是天線的線圈電容).HF段RFID射頻識別的線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz.，RFID射頻識別應(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。某些應(yīng)用環(huán)境要求RFID射頻識別線圈天線外形很小,且需一定的工作距離,這樣必然會使線圈天線的互感量減小。為了解決這個(gè)問題，我們通常在線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ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.很明顯，近場天線的工作原理完全類似我們熟知的變壓器原理，理論相對比較簡單。

1.2遠(yuǎn)場天線

下面，我們著重討論遠(yuǎn)場天線的理論分析和結(jié)構(gòu)。對于超高頻和微波頻段，讀寫器天線要為RFID電子標(biāo)簽提供能量或喚醒有源RFID電子標(biāo)簽，工作距離較遠(yuǎn)，一般位于讀寫器天線的遠(yuǎn)場。遠(yuǎn)場天線的公式為：

由上式可得，電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度隨距離的一次方衰減，電場和磁場方向相互垂直，且都垂直于傳播方向。波印廷矢量為實(shí)數(shù)，電磁場以電磁波形式向外輻射能量。此時(shí)，天線設(shè)計(jì)對系統(tǒng)性能影響較大，多采用偶極子型或微帶貼片天線。下面分別予以詳細(xì)分析。

1.2.1偶極子天線

偶極子天線，也稱為對稱振子天線，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(gè)端點(diǎn)饋入,在偶極子的兩臂上將產(chǎn)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.一般在RFID射頻識別電子RFID電子標(biāo)簽中使用的是曲折型的折合偶極子天線。

利用麥克斯韋方程就可以求出偶極子天線的輻射場方程:

式中IZ為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù),r是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離,θ為振子軸到r的夾角,l為單個(gè)振子臂的長度.通過高頻軟件仿真，如ADS，HFSS,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特性參數(shù).當(dāng)單個(gè)振子臂的長度l=π/4時(shí)(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(gè)純電阻.例如，由N根導(dǎo)線折合偶極子，假設(shè)所有導(dǎo)線上的電路都相等，其饋端阻抗為70N2。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l為π/4的整數(shù)倍.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí),可采用折合偶極子天線.

1.2.2微帶貼片天線

微帶貼片天線通常是由金屬貼片貼在接地平面上一片薄層圖5微帶貼片天線的示意圖

微帶貼片天線質(zhì)量輕、體積小、剖面薄,饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線同時(shí)制作，與通信系統(tǒng)的印刷電路集成在一起，貼片又可采用光刻工藝制造，成本低、易于大量生產(chǎn)。微帶貼片天線以其饋電方式和極化制式的多樣化以及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等特點(diǎn)而成為印刷天線類的主角。

通常微帶貼片天線的輻射導(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(gè)方向沒有變化,僅沿約為半個(gè)波長的導(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,方向基本確定。因此，微帶貼片天線非常適用于通訊方向變化不大的RFID射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)中。

2.RFID射頻識別天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

RFID射頻識別天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能有很大影響。天線的結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所帖附物體形狀及物理特性的影響。例如，磁場不能穿透金屬等導(dǎo)磁材料,金屬物附近磁力線形狀會發(fā)生改變,而且,由于磁場能會在金屬表面引起渦流.由楞次定律可知,渦流會產(chǎn)生抵抗激勵的磁通量,導(dǎo)致金屬表面磁通量大大衰減.超高頻讀寫器天線發(fā)出的能量被金屬吸收,讀寫距離就會大大減小。另外，液體對電磁信號有吸收作用，彈性基層會造成RFID電子標(biāo)簽及天線變形，寬頻帶信號源(如發(fā)動機(jī)、水泵、發(fā)電機(jī))會產(chǎn)生電磁干擾等，這些都是我們設(shè)計(jì)天線時(shí)必須細(xì)致考慮的地方。目前，研究領(lǐng)域根據(jù)天線的以上特性提出了多種解決方案，如采用曲折型天線解決尺寸限制，采用倒F型天線解決金屬表面的反射問題等。

天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出電路，這就需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其電路的匹配，天線匹配程度越高，天線的輻射性能越好。當(dāng)工作頻率增加到超高頻區(qū)域的時(shí)候，天線與RFID電子標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。在傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，我們可以通過控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配。一般天線的開發(fā)基于的是50或75歐姆阻抗，而在RFID射頻識別系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測試，天線的設(shè)計(jì)也就難以達(dá)到最佳。

對于近距離RFID射頻識別應(yīng)用，天線一般和讀寫器集成在一起，比較典型的如YXK8超高頻發(fā)卡器，對于遠(yuǎn)距離RFID射頻識別系統(tǒng)，讀寫器天線天線和讀寫器一般采取分離式結(jié)構(gòu)，比較典型的如YXK5超高頻讀寫器，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RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用;由于RFID電子標(biāo)簽放置方向不可控，讀寫器天線一般采用圓極化方式。RFID讀寫器天線要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計(jì)問題。國外已經(jīng)開始研究在讀寫器應(yīng)用智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，"智能"的打開和關(guān)閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線覆蓋區(qū)域的RFID電子標(biāo)簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍。

3.RFID天線設(shè)計(jì)流程

下面以微帶天線為例介紹RFID射頻識別天線的設(shè)計(jì)流程，希望可以起到拋磚引玉的效果。因?yàn)槲炀€的性能指標(biāo)與天線的微帶單元尺寸、基板尺寸、饋電點(diǎn)位置等密切相關(guān)，而這些參數(shù)又直接由RFID射頻識別系統(tǒng)的工作頻率、基片介電系數(shù)、基片厚度、饋電方式?jīng)Q定。在選定基片介電系數(shù)和基板厚度、饋電方式之后，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中相關(guān)公式，計(jì)算出貼片尺寸、饋電點(diǎn)的位置，再使用TransmissionLineCalculator工具計(jì)算出饋線的尺寸。得到以上設(shè)計(jì)參數(shù)之后，就可以在高頻軟件ADS的Layout中進(jìn)行仿真。初步仿真后，在Schematic文件中進(jìn)行天線匹配，然后參照匹配系數(shù)在Layout中進(jìn)行修改，完成最終RFID射頻識別微帶天線的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程明晰流暢，簡單快捷,調(diào)試方便。

4.結(jié)論

目前，RFID射頻識別射頻識別技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，它將不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如天線技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、高頻技術(shù)、電磁兼容性、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、無線通信技術(shù)、封裝制造技術(shù)等專業(yè)領(lǐng)域。RFID自動識別射頻識別技術(shù)很大程度上節(jié)省了人工成本，提高作業(yè)精確性，加快數(shù)據(jù)處理速度，有效跟蹤物流動態(tài)等。RFID射頻識別天線設(shè)計(jì)技術(shù)作為整個(gè)RFID自動識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相當(dāng)關(guān)鍵的一項(xiàng)攻堅(jiān)技術(shù)，需要我們在普通天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更細(xì)致的考慮RFID射頻識別系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等的影響，為RFID自動識別系統(tǒng)的理想工作提供保證。