RFID標簽天線(xiàn)熱點(diǎn)問(wèn)題

1 引言

射頻識別是一種使用射頻技術(shù)的非接觸自動(dòng)識別技術(shù)，具有傳輸速率快、防沖撞、大批量讀取、運動(dòng)過(guò)程讀取等優(yōu)勢，因此，RFID技術(shù)在物流與供應鏈管理、生產(chǎn)管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領(lǐng)域具有重大的應用潛力。目前，射頻識別技術(shù)的工作頻段包括低頻、高頻、超高頻及微波段，其中以高頻和超高頻的應用最為廣泛。

2 RFID技術(shù)原理

RFID系統主要由讀寫(xiě)器(target)、應答器(RFID標簽)和后臺計算機組成，其中，讀寫(xiě)器實(shí)現對標簽的數據讀寫(xiě)和存儲，由控制單元、高頻通信模塊和天線(xiàn)組成，標簽主要由一塊集成電路芯片及外接天線(xiàn)組成，其中電路芯片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路。標簽按照供電原理可分為有源(active)標簽、半有源(semi.active)標簽和無(wú)源(passive)標簽，無(wú)源標簽因為成本低、體積小而備受青睞。 　　RFID系統的基本工作原理是：標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器發(fā)射射頻場(chǎng)后，將天線(xiàn)獲得的感應電流經(jīng)升壓電路后作為芯片的電源.同時(shí)將帶信息的感應電流通過(guò)射頻前端電路變?yōu)閿底中盘査腿脒壿嬁刂齐娐愤M(jìn)行處理，需要回復的信息則從標簽存儲器發(fā)出，經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)回讀寫(xiě)器。

3 RFID系統中的天線(xiàn)

從RFID技術(shù)原理上看，RFID標簽性能的關(guān)鍵在于RFID標簽天線(xiàn)的特點(diǎn)和性能。在標簽與讀寫(xiě)器數據通信過(guò)程中起關(guān)鍵作用是天線(xiàn)，一方面，標簽的芯片啟動(dòng)電路開(kāi)始工作，需要通過(guò)天線(xiàn)在讀寫(xiě)器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量;另一方面，天線(xiàn)決定了標簽與讀寫(xiě)器之間的通信信道和通信方式。因此，天線(xiàn)尤其是標簽內部天線(xiàn)的研究就成為了重點(diǎn)。

3.1 RFID系統天線(xiàn)的類(lèi)別

按RFID標簽芯片的供電方式來(lái)分，RFID標簽天線(xiàn)可以分為有源天線(xiàn)和無(wú)源天線(xiàn)兩類(lèi)。有源天線(xiàn)的性能要求較無(wú)源天線(xiàn)要低一些，但是其性能受電池壽命的影響很大：無(wú)源天線(xiàn)能夠克服有源天線(xiàn)受電池限制的不足.但是對天線(xiàn)的性能要求很高。目前，RFID天線(xiàn)的研究重點(diǎn)是無(wú)源天線(xiàn)。從RFID系統工作頻段來(lái)分.在LF、HF段f如6.78 MHz、13.56 MHz)I作的RFID系統，電磁能量的傳送是在感應場(chǎng)區域(似穩場(chǎng))中完成，也稱(chēng)為感應耦合系統;在UHF段(如915 MHz、2 400 Mttz)Z作的系統，電磁能量的傳送是在遠場(chǎng)區域(輻射場(chǎng))中完成，也稱(chēng)為微波輻射系統。由于兩種系統的能量產(chǎn)生和傳送方式不同，對應的RFID標簽天線(xiàn)及前端部分存在各自特殊性，因此標簽天線(xiàn)分為近場(chǎng)感應線(xiàn)圈天線(xiàn)和遠場(chǎng)輻射天線(xiàn)。感應耦合系統使用的是近場(chǎng)感應線(xiàn)圈天線(xiàn)，由多匝電感線(xiàn)圈組成，電感線(xiàn)圈和與其相并聯(lián)的電容構成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量;微波輻射系統使用的遠場(chǎng)輻射天線(xiàn)的種類(lèi)主要是偶極子天線(xiàn)和縫隙天線(xiàn)，遠場(chǎng)輻射天線(xiàn)通常是諧振式的，一般取半波長(cháng)。

天線(xiàn)的形狀和尺寸決定它能捕捉的頻率范圍等性能，頻率越高，天線(xiàn)越靈敏，占用的面積也越少。較高的工作頻率可以有較小的標簽尺寸，與近場(chǎng)感應天線(xiàn)相比，遠場(chǎng)輻射天線(xiàn)的輻射效率較高。

3.2 RFID標簽天線(xiàn)的設計要求

RFID標簽天線(xiàn)的設計要求主要包括：天線(xiàn)的物理尺寸足夠小，能滿(mǎn)足標簽小型化的需求;具有全向或半球覆蓋的方向性;具有高增益，能提供最大的信號給標簽的芯片;阻抗匹配好，無(wú)論標簽在什么方向，標簽天線(xiàn)的極化都能與讀寫(xiě)器的信號相匹配;具有頑健性及低成本。在選擇天線(xiàn)時(shí)主要考慮：天線(xiàn)的類(lèi)型，天線(xiàn)的阻抗，應用到物品上的RF性能，當有其他物品圍繞標簽物品時(shí)的RF性能。

4 RFID標簽天線(xiàn)的類(lèi)別和研究現狀

標簽天線(xiàn)主要分為3大類(lèi)：線(xiàn)圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線(xiàn)圈型天線(xiàn)是將金屬線(xiàn)盤(pán)繞成平面或將金屬線(xiàn)纏繞在磁心上;偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細和等長(cháng)的直導線(xiàn)排成一條直線(xiàn)構成，信號從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋人，天線(xiàn)的長(cháng)度決定頻率范圍;縫隙型天線(xiàn)是由金屬表面切出的凹槽構成，其中微帶貼片天線(xiàn)由一塊末端帶有長(cháng)方形的電路板構成，長(cháng)方形的長(cháng)寬決定頻率范圍。

識別距離小于1 m的中低頻近距離應用系統的RFID天線(xiàn)一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線(xiàn)圈型天線(xiàn);以上的高頻或微波頻段的遠距離應用系統需要采用偶極子和縫隙型天線(xiàn)。

4.1 線(xiàn)圈型天線(xiàn)

當標簽線(xiàn)圈天線(xiàn)進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中，標簽天線(xiàn)與讀寫(xiě)器天線(xiàn)之間的相互作用就類(lèi)似于變壓器。兩者的線(xiàn)圈相當于變壓器的初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈。由標簽天線(xiàn)形成的諧振回路如圖1所示。 圖1 標簽等效電路　　標簽和讀寫(xiě)器雙向通信使用的載波頻率就是. 當要求標簽天線(xiàn)線(xiàn)圈外形很小，即面積小，且需一定的工作距離，RFID標簽與讀寫(xiě)器問(wèn)的天線(xiàn)線(xiàn)圈互感量( 就明顯不能滿(mǎn)足實(shí)際需求，可以在標簽天線(xiàn)線(xiàn)圈內部插入具有高導磁率㈥的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補償線(xiàn)圈橫截面小的問(wèn)題”。目前線(xiàn)圈型天線(xiàn)的實(shí)現技術(shù)已很成熟，廣泛地應用在身份識別、貨物標簽等RFID系統中，但是對于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應用場(chǎng)合，采用線(xiàn)圈型天線(xiàn)難以實(shí)現相應的性能指標。

4.2 偶極子天線(xiàn)

偶極子天線(xiàn)具有輻射能力好、結構簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)嘲，可以設計成適用于全方位通信的RFID系統，被廣泛應用于RFID標簽天線(xiàn)的設計，尤其是在遠距離RFID系統中。

傳統半波偶極子天線(xiàn)的最大問(wèn)題在于對標簽尺寸的影響，如915 MHz的半波偶極子。研究表明，端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線(xiàn)可以通過(guò)選擇合適的幾何參數來(lái)獲得所需的輸入阻抗，具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，性能非常出色，且與傳統半波偶極子天線(xiàn)相比尺寸要小很多，若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器，還能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。已知增加天線(xiàn)的彎折次數有利于在不降低天線(xiàn)效率的情況下減小天線(xiàn)尺寸，那么，如何在有限的空問(wèn)下進(jìn)行“彎折”，“彎折”的具體參數對標簽天線(xiàn)的諧振頻率和輸入阻抗有何影響?怎樣“彎折”的RF效率最高?

我們知道具有分形結構的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點(diǎn)，應用到天線(xiàn)設計上可以實(shí)現天線(xiàn)多頻段特性和尺寸縮減特性。國內外對具有分形結構的天線(xiàn)做了大量研究工作，證實(shí)了分形結構的天線(xiàn)具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內大幅度提高天線(xiàn)效率網(wǎng)。