超高頻RFID天線(xiàn)設計技術(shù)研究

摘要：在RFID系統中，一個(gè)很重要的指標就是讀寫(xiě)距離，影響讀寫(xiě)距離的重要參數則是讀寫(xiě)器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)的設計。天線(xiàn)設計是RFID無(wú)線(xiàn)射頻識別系統設計的關(guān)鍵部分，設計出合適的天線(xiàn)是確保系統正常通信的前提。從近場(chǎng)耦合天線(xiàn)的理論分析著(zhù)手，通過(guò)實(shí)際RFID項目中的總結，結合實(shí)際RFID系統天線(xiàn)設計所需主要考慮的物理參量，并根據這些參量確定設計步驟。
關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；閱讀器天線(xiàn)；RFID電子標簽天線(xiàn)；天線(xiàn)設計

0 引言
RFID無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)的應用由來(lái)已久，最早可追溯到第二次世界大戰時(shí)，英國空軍飛機使用的敵我飛機識別系統。最近RFID無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)被廣泛應用于物品管理、車(chē)輛定位以及井下人員定位等。該技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，利用無(wú)線(xiàn)射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到自動(dòng)識別目的。

1 RFID無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)概述
1．1 RFID無(wú)線(xiàn)識別系統的基本組成
RFID無(wú)線(xiàn)識別系統主要由RFID電子標簽、RFID閱讀器、天線(xiàn)以及上位機管理系統組成。RFID電子標簽和RFID讀寫(xiě)器之間是通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸信息的，因此它們之間都有無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊及天線(xiàn)(感應線(xiàn)圈)。效果圖如圖1所示。

(1)RFID電子標簽(Tag)：RFID電子標簽是射頻識別系統的數據載體。由耦合元件及芯片組成，每個(gè)RFID電子標簽具有惟一的EPC(Electr ctronic ProductCode)電子編碼，附著(zhù)在物體上標識目標對象。與傳統的條形碼相比，EPC編碼不僅可以反映某一類(lèi)產(chǎn)品，還可以具體到某一件產(chǎn)品。
(2)RFID閱讀器(Reader)：讀寫(xiě)器足可以讀取或者寫(xiě)入電子標簽信息的設備，其基本功能就是與標簽進(jìn)行數據的傳輸，可設計為手持式閱讀器或固定式閱讀器。
(3)天線(xiàn)(Antenna)：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。
1．2 RFID系統的工作原理
RFID電子標簽進(jìn)入RFID讀寫(xiě)器發(fā)射的磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無(wú)源標簽或被動(dòng)標簽)，或者由標簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標簽或主動(dòng)標簽)，解瀆器瀆取信息并解碼后，送至中央信息系統進(jìn)行有關(guān)數據處理。射頻識別過(guò)程示意圖如圖2所示。

2 RFID標簽天線(xiàn)性能指標
從RFID系統的識別過(guò)程不難看出，RFID讀寫(xiě)器在感知RFID電子標簽的過(guò)程中，天線(xiàn)在RFID電子標簽和RFID讀取器間傳遞射頻信號起到了重要的橋梁作用，RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)、RFID電子標簽天線(xiàn)的性能對提高整個(gè)識別系統的性能有著(zhù)重要的意義。由于RFID電子標簽附著(zhù)在被標識的物體上，RFID電子標簽天線(xiàn)會(huì )受到所標識物體的形狀以及物理特性的影響。影響因素包括所標識物體的材料、所標識物品的工作環(huán)境等。另外，在RFID無(wú)線(xiàn)射頻的裝置中，工作頻率增加到微波區域的時(shí)候，天線(xiàn)與RFID電子標簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴峻。這些因素給RFID電子標簽天線(xiàn)的設計提出了更高的要求，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的挑戰。
天線(xiàn)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，是電路與空間的界而器件，用來(lái)實(shí)現導行波與自由空間波能量的轉化。當前的RFID無(wú)線(xiàn)射頻系統主要集中在低頻、高頻、超高頻、微波頻段，不同工作頻段的RFID系統天線(xiàn)的原理和設計有著(zhù)根本上的不同：
(1)方向特性
天線(xiàn)的輻射是具有方向性的。輻射場(chǎng)振幅與方向的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為方向圖，實(shí)際上就是遠區場(chǎng)任意方向上某點(diǎn)的場(chǎng)強同方向的關(guān)系曲線(xiàn)。方向圖一股指歸一化的方向圖，即遠區場(chǎng)任意方向上某點(diǎn)的場(chǎng)強與同一距離的最大場(chǎng)之比同方向的關(guān)系曲線(xiàn)。定義方向圖函數為：

式中EM是|E(α，β)|的最大值。
(2)方向性系數
方向性系數是用來(lái)表示天線(xiàn)向某一個(gè)方向集中輻射電磁波程度的一個(gè)參數。任一定向天線(xiàn)的方向性系數是指在接收點(diǎn)產(chǎn)生相等電場(chǎng)強度的條件下，非定向天線(xiàn)的總輻射功率對該定向天線(xiàn)的總輻射功率之比。按照此定義，由于定向天線(xiàn)在各個(gè)方向上的輻射強度不等，故天線(xiàn)的方向性系數也隨著(zhù)觀(guān)察點(diǎn)的位置而不同，在輻射電場(chǎng)最大的方向，方向性系數也最大。一般情況下，定向天線(xiàn)的方向性系數就是最大輻射方向的方向性系數，即在離天線(xiàn)某一距離處，天線(xiàn)在最大輻射方向上的輻射功率流密度Smax與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線(xiàn)在同一距離處的輻射功率流密度So之比，記為D，即：

(3)天線(xiàn)效率
天線(xiàn)效率是用以度量天線(xiàn)轉換能量的有效性的指標。天線(xiàn)效率均小于1，表示天線(xiàn)輸入功率一部分轉化為輻射功率，一部分為損耗功率。天線(xiàn)效率定義為天線(xiàn)輻射功率與輸入功率之比，記為ηA，即：

式中：Pi為輻射功率；Pj為損耗功率。
(4)天線(xiàn)增益
天線(xiàn)系數僅反映了天線(xiàn)輻射能最的集中程度，天線(xiàn)增益不僅反映了天線(xiàn)的輻射能力，還考慮了天線(xiàn)的損耗因數。在輸入功率相同的條件下，定向天線(xiàn)在空間某方向(θ，φ)的輻射功率密度S(θ，φ)與無(wú)損耗的點(diǎn)源天線(xiàn)在該方向輻射功率密度So之比，稱(chēng)為天線(xiàn)的增益，記為G(θ，φ)。即：

增益系數是綜合衡量大線(xiàn)能量轉換和方向特性的參數，它是方向性系數與天線(xiàn)效率的乘積，記為G，即：
G=D·ηA
對于頻段為超高頻、微波的RFID無(wú)線(xiàn)射頻識別系統來(lái)說(shuō)，由于RFID電子標簽天線(xiàn)面積較小，因此天線(xiàn)的增益也是有限的。增益的大小豐要取決于天線(xiàn)輻射模式的類(lèi)型。
(5)阻抗特性
天線(xiàn)的輸入阻抗可以用天線(xiàn)饋電點(diǎn)處的電壓與電流之比來(lái)表示，通常為頻率的函數。RFID天線(xiàn)的阻抗應設計成50 Ω或70 Ω，以便和常規的饋線(xiàn)實(shí)現阻抗匹配。RFID天線(xiàn)相當于讀寫(xiě)器與電子標簽輸出端的終端負載，輸入阻抗Zin定義為天線(xiàn)輸入電壓與輸入電流Io之比。即：

式中：Rin，Xin分別為輸入阻抗的實(shí)部和虛部。
RFID天線(xiàn)的輻射功率P∑相當于在一個(gè)等效阻抗上所產(chǎn)牛的損耗。這個(gè)等效阻抗稱(chēng)為輻射阻抗Z∑，即：

式中：I為參考電流；R∑，X∑分別為輻射阻抗的實(shí)部和虛部。

3 結論
隨著(zhù)RFID無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)應用需求的不斷明確和應用領(lǐng)域的不斷拓展，作為RFID系統關(guān)鍵部件的天線(xiàn)的設計和研究變得十分緊要和迫切。天線(xiàn)技術(shù)是RFID系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，對RFID技術(shù)的成熟和廣泛應用具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。