偶極子RFID標簽天線(xiàn)的優(yōu)化設計與研究

　　近年來(lái)，RFID技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動(dòng)物體識別應用中的主要技術(shù)。RFID技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，可達到識別并交換數據的目的。與磁卡和IC卡等接觸式識別技術(shù)不同，RFID系統的電子標簽和讀寫(xiě)器之間無(wú)需物理接觸就可完成識別，屬于非接觸識別。RFID技術(shù)具有一些獨特的優(yōu)點(diǎn)，如讀寫(xiě)操作方便、靈活，實(shí)時(shí)完成，一次識別多個(gè)射頻卡，識別運動(dòng)中的射頻卡，避免了由于接觸帶來(lái)的對卡片的磨損和對集成電路的損壞等。因此，它可更廣泛地應用于供應鏈路和零售業(yè)中。

　　RFID系統能捕捉運動(dòng)物體的詳細信息并識別物體中存儲的每一個(gè)信息項目。該技術(shù)避免了跟蹤過(guò)程中的人工干預，在節省大量人力的同時(shí)可極大地提高工作效率。在不同的應用環(huán)境中RFID技術(shù)需要采用不同的天線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現數據交換，現今有很多種RFID天線(xiàn)類(lèi)型，如偶極子天線(xiàn)、分形天線(xiàn)、環(huán)形槽天線(xiàn)和微帶貼片天線(xiàn)等。筆者主要研究偶極子天線(xiàn)在RFID系統中的設計與應用。

　　1偶極子天線(xiàn)理論分析

　　1．1RFID系統原理

　　典型的RFID系統由閱讀器和電子標簽組成，如圖1所示。閱讀器連接著(zhù)電腦終端，主要用數據天線(xiàn)

　　來(lái)識別RFID標簽并讀取數據。閱讀器包括控制模塊、RF調制模塊和天線(xiàn)。電子標簽(或稱(chēng)射頻卡、應答器等)由天線(xiàn)及IC芯片組成，其中包含帶加密邏輯、串行EEPROM(可擦除及可編程只讀存儲器)、微處理器CPU以及射頻收發(fā)相關(guān)電路。電子標簽具有智能讀寫(xiě)和加密通信的功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀寫(xiě)設備進(jìn)行數據交換，分為有源標簽(帶電源)和無(wú)源標簽(不帶電源)兩種，無(wú)源標簽工作的能量由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供，筆者主要討論無(wú)源標簽天線(xiàn)。

　　數據和能量傳輸是RFID系統運作的一個(gè)重要環(huán)節。射頻信號通過(guò)閱讀器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現數據傳遞，因此，天線(xiàn)在整個(gè)RFID系統中扮演著(zhù)重要角色。而標簽天線(xiàn)與標簽芯片之間的阻抗匹配在提高系統的閱讀范圍和能量傳輸的效率上尤為重要。

　　1．2半波偶極子天線(xiàn)特性

　　一個(gè)簡(jiǎn)易的偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細、長(cháng)度相等的直導線(xiàn)構成，在中間兩個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行饋電。由于它結構簡(jiǎn)單，廣泛應用于通信、雷達和探測等各種無(wú)線(xiàn)電設備中，適用于短波、超短波，甚至微波。它既可作為簡(jiǎn)單的天線(xiàn)單獨使用，又可作為天線(xiàn)陣的單元或面天線(xiàn)的饋源。

　　半波偶極子天線(xiàn)的長(cháng)度是半個(gè)波長(cháng)，它的結構如圖2所示。由于半波偶極子是基本的線(xiàn)天線(xiàn)，很多天線(xiàn)都是在半波振子的基礎上設計的。

　　半波偶極子天線(xiàn)的輻射電阻為：

　　其中，θ為輻射角度。半波偶極子天線(xiàn)的E面方向圖函數F(θ)為：

　　當θ=90。時(shí)具有最大值，將式(2)代人式
　　(1)，可得到半波偶極子天線(xiàn)的輻射電阻為：

　　將式(2)代入式(3)：

　　可得，半波偶極子的方向系數D=1．64。

　　由于半波偶極子的特性阻抗接近純阻性，因此可以把半波偶極子看作無(wú)耗天線(xiàn)，即η=1。由于半波偶極子的方向系數D=1．64，因此半波偶極子的增益為：

　　1．3天線(xiàn)阻抗和標簽接收功率的對應關(guān)系

　　偶極子RFID標簽天線(xiàn)的等效電路如圖3所示，如果RFID標簽在閱讀器周?chē)囊欢ǚ秶鷥?，假設為標簽天線(xiàn)在電場(chǎng)強度為E，距離為r的區域所產(chǎn)生的感應電壓，而傳送至RFID標簽終端的電壓U₁只是U₀的一部分。由圖3可看出U₁，為RFID標簽的供電電壓。

　　天線(xiàn)的一個(gè)重要性質(zhì)是它的阻抗z_a等于電抗X_a與輻射電阻R_a的和(5)，即：

　　z_a=R_a+jX_{a (5)}

　　同理可知標簽的阻抗為：

　　Z_t=R_t+jX_{t (6)}
　　設天線(xiàn)傳送到標簽的功率為P_e，則P_e為影

　　響標簽性能的一個(gè)重要因素：

　　天線(xiàn)的感應電壓可由式(8)得到：

　　式中，S為輻射密度；r為標簽到閱讀器的距離；σ為相對介質(zhì)系數；G為天線(xiàn)的增益。

　　式(7)表明了天線(xiàn)阻抗和標簽接收到功率的對應關(guān)系，顯然，要得到最大的功率P_e，就必須使天線(xiàn)的阻抗與RFID標簽的阻抗達到阻抗匹配，即R_a=R_t且X_a=－X_t。當天線(xiàn)和標簽達到阻抗匹配時(shí)，將式(8)代入式(7)，可以得到最大的接收功率P_e為：

　　可以看出，要使RFID標簽獲得最大的功率，天線(xiàn)與標簽之間的阻抗匹配起著(zhù)關(guān)鍵作用，因此，天線(xiàn)的設計，直接影響著(zhù)天線(xiàn)阻抗特性及整個(gè)RFID系統的性能。

　　2偶極子RFID標簽天線(xiàn)的優(yōu)化設計

　　2．1三線(xiàn)折疊半波偶極子天線(xiàn)模型

　　RFID標簽天線(xiàn)的設計由所選的標簽芯片決定，為了優(yōu)化標簽天線(xiàn)的傳輸性能，天線(xiàn)的輻射電阻必須適應標簽芯片的阻抗特性。天線(xiàn)的設計一直與50Ω或75Ω的標簽芯片相匹配，隨著(zhù)RFID技術(shù)的發(fā)展，一些標簽芯片的阻抗變得任意化，從而天線(xiàn)的設計也需要滿(mǎn)足不同芯片的阻抗特性。圖4給出了一種三線(xiàn)折疊半波偶極子天線(xiàn)的設計結構，該結構可以使天線(xiàn)得到較高的輸人阻抗，從而更方便與標簽芯片達到阻抗匹配。

　　該結構中，每根偶極子之間的寬度d應小于0．05λ。這種天線(xiàn)結構使得天線(xiàn)的輻射電阻能夠達到簡(jiǎn)單半波偶極子的8倍左右，其輻射電阻值可由式(10)得到：

　　從式(10)可看出，該結構由若干參數決定，如偶極子寬度d₁和d₂，每根偶極子之間的距離W₁和W₂。這些參數值直接影響天線(xiàn)輻射電阻值，為使標簽達到最大效率，表1給出了RFID系統應用頻率在868～915MHz的天線(xiàn)結構參數值。

　　表1天線(xiàn)結構參數值

　　2．2天線(xiàn)阻抗及RFID標簽接收功率分析

　　圖5給出了三線(xiàn)折疊半波偶極子天線(xiàn)和簡(jiǎn)單偶極子天線(xiàn)阻抗隨頻率變化的情況，可以看出，該結構的天線(xiàn)阻抗明顯比簡(jiǎn)單偶極子高了很多，能夠較好地與RFID標簽芯片達到阻抗匹配。圖6給出了應用該三線(xiàn)折疊偶極子天線(xiàn)及簡(jiǎn)單偶極子天線(xiàn)的RFID標簽接收功率隨頻率的變化情況，可以看出，三線(xiàn)折疊偶極子天線(xiàn)結構使RFID標簽的功率接收效率有了明顯提高。

　　3結論

　　對無(wú)源RFID標簽半波偶極子天線(xiàn)總體的設計方法進(jìn)行了討論，提出了一種應用于868～915MHz的RFID標簽天線(xiàn)的優(yōu)化設計方案，并通過(guò)圖形分析了天線(xiàn)的阻抗特性及RFID標簽功率接收效率。用這種方案制作的半波偶極子天線(xiàn)簡(jiǎn)單、方便且費用低廉，可以使天線(xiàn)達到較高的輸入阻抗來(lái)實(shí)現與一些RFID標簽的匹配，從而有效提高RFID標簽的功率接收效率。

　　天線(xiàn)的RFID標簽接收功率的頻率特性