RFID系統中電子標簽天線(xiàn)分類(lèi)及設計

射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)。它是由電子標簽（Tag/Transponder）、讀寫(xiě)器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信系統。射頻識別中的標簽是射頻識別標簽芯片和標簽天線(xiàn)的結合體。標簽根據其工作模式不同而分為主動(dòng)標簽和被動(dòng)標簽。主動(dòng)標簽自身攜帶電池為其提供讀寫(xiě)器通信所需的能量：被動(dòng)標簽則采用感應耦合或反向散射工作模式，即通過(guò)標簽天線(xiàn)從讀寫(xiě)器中發(fā)出的電磁場(chǎng)或者電磁波獲得能量激活芯片，并調節射頻識別標簽芯片與標簽天線(xiàn)的匹配程度，將儲存在標簽芯片中的信息反饋給讀寫(xiě)器。因此。射頻識別標簽天線(xiàn)的阻抗必須與標簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫(xiě)器所發(fā)出的電磁能量。此外，標簽天線(xiàn)設計時(shí)還必須考慮電子標簽所應用的場(chǎng)合，如應用在金屬物體表面的標簽天線(xiàn)和應用在普通物體表面的標簽天線(xiàn)在天線(xiàn)的結構和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標簽天線(xiàn)是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

射頻識別系統與天線(xiàn)分類(lèi)

對于采用被動(dòng)式標簽的射頻識別系統而言，根據工作頻段的不同具有兩種工作模式。一種是感應耦合（Induc.tiveCoupling）T作模式，這種模式也稱(chēng)為近場(chǎng)工作模式，它主要適用用于低頻和高頻RFID系統：另一種則是反向散射（Backscattering）32作模式，這種模式也稱(chēng)為遠場(chǎng)T作模式，主要適用于超高頻和微波RFID系統。

感應耦合模式主要是指讀寫(xiě)器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)都采用線(xiàn)圈形式。當讀寫(xiě)器在閱讀標簽時(shí)，發(fā)出未經(jīng)調制的信號。處于讀寫(xiě)器天線(xiàn)近場(chǎng)的電子標簽天線(xiàn)接收到該信號并激活標簽芯片之后，由標簽芯片根據內部存儲的全球唯一的識別號（ID）控制標簽天線(xiàn)中的電流大小。這個(gè)電流的大小進(jìn)一步增強或者減小閱讀器天線(xiàn)發(fā)出的磁場(chǎng)。這時(shí)，讀寫(xiě)器的近場(chǎng)分量展現出被調制的特性，讀寫(xiě)器內部電路檢鋇0到這個(gè)由于標簽而產(chǎn)生的調制量并解調并得到標簽信息。

在反向散射T作模式中，讀寫(xiě)器和電子標簽之間采用電磁波來(lái)進(jìn)行信息的傳輸。當讀寫(xiě)器對標簽進(jìn)行閱讀識別時(shí)，首先發(fā)出未經(jīng)調制的電磁波，此時(shí)位于遠場(chǎng)的電子標簽天線(xiàn)接收到電磁波信號并在天線(xiàn)上產(chǎn)生感應電壓，電子標簽內部電路將這個(gè)感應電壓進(jìn)行整流并放大用于激活標簽芯片。當標簽芯片激活之后，用自身的全球唯一標識號對標簽芯片阻抗進(jìn)行變化，當電子標簽芯片的阻抗和標簽芯片之間的阻抗匹配較好時(shí)則基本不反射信號，而阻抗匹配不好時(shí)則將幾乎全部反射信號。這樣反射信號就出現了振幅的變化，這種情況類(lèi)似于對反射信號進(jìn)行幅度調制處理。讀寫(xiě)器通過(guò)接收到經(jīng)過(guò)調制的反射信號判斷該電子標簽的標識號并進(jìn)行識別。這類(lèi)天線(xiàn)主要包括微帶天線(xiàn)、平面偶極子天線(xiàn)和環(huán)形天線(xiàn)。圖二是我們研制的能工作于多種識別環(huán)境下的UHF電子標簽天線(xiàn)。

電子標簽天線(xiàn)的設計與測試

如前所述，作于低頻與高頻的射頻識別系統采用感應耦合模式進(jìn)行通信，所以T作于這兩個(gè)頻段的讀寫(xiě)器與電子標簽都采用線(xiàn)圈形式的天線(xiàn)。T作在這兩個(gè)頻段的射頻識別系統都受制于近場(chǎng)作用的范圍，從而導致其識別距離較短。根據目前的情況來(lái)看，采用近場(chǎng)通信的射頻識別系統最大的識別距離小于1米。

由于低頻和高頻頻段的射頻識別系統采用的是電磁場(chǎng)耦合模式，所以系統中的天線(xiàn)都采用線(xiàn)圈形式。采用這種形式的主要原因如下：

　　1.電磁場(chǎng)的耦合在線(xiàn)圈之間比較緊密：

　　2.天線(xiàn)采用線(xiàn)圈的形式進(jìn)一步減小了天線(xiàn)的體積進(jìn)而減小了標簽的體積：

　　3.標簽芯片的特性要求標簽天線(xiàn)具有一定的電抗。

在超高頻和微波波段時(shí)，電子標簽和讀寫(xiě)器之間的通信采用反向散射工作方式。這時(shí)候，連接電子標簽和讀寫(xiě)器之間的橋梁不再是近磁場(chǎng)而是電磁波。此時(shí)，被動(dòng)型電子標簽處于讀寫(xiě)器的電磁波遠場(chǎng)中。根據頻帶的波長(cháng)和天線(xiàn)的口徑可以計算出該頻帶內射頻識別系統的遠場(chǎng)和讀寫(xiě)器之間的距離。一般來(lái)說(shuō)，被動(dòng)性標簽在超高頻范圍內的丁作距離可達10米左有，根據現有資料來(lái)看。工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被動(dòng)標簽工作距離僅為1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射頻識別系統主要使用位于860～960MHz的超高頻頻段。

在由被動(dòng)型標簽天線(xiàn)組成的射頻識別系統中，標簽需要從瀆寫(xiě)器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)或者電磁波中獲取能量激活標簽芯片。所以在電子標簽中有一部分電路專(zhuān)門(mén)用于檢測標簽天線(xiàn)上的感生電動(dòng)勢或者感應電壓，并通過(guò)二極管電路進(jìn)行整流并經(jīng)過(guò)其他電路進(jìn)行電壓放大等等。這些電路被集成存標簽芯片內部。當芯片進(jìn)行封裝時(shí)通常還會(huì )引入一部分分布式電容。但是，天線(xiàn)設計本身并不需要知道芯片中的具體電路而只需要掌握芯片和經(jīng)過(guò)封裝之后的芯片阻抗，并利用最大能量傳遞的法則設計天線(xiàn)的輸入阻抗。

由于電子標簽芯片的輸出阻抗具有電抗分量，為了達到能量的最大傳遞，需要將天線(xiàn)的輸入阻抗設計為標簽芯片阻抗的共軛。一般而言，電子標簽芯片的輸入阻抗為Z=R_X形式。為了獲得共軛形式的阻抗，電子標簽天線(xiàn)的阻抗應為Z=R+iX形式。

如前文所述，工作在低頻與高頻的射頻識別系統中的被動(dòng)標簽天線(xiàn)采用了線(xiàn)圈形式，這種線(xiàn)圈形式即可引入感抗用于抵消等效電路中的容抗從而實(shí)現標簽芯片和天線(xiàn)之間的最大能量傳遞。
而對于T作于超高頻和微波頻段的標簽天線(xiàn)而言，為了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天線(xiàn)設計中加入環(huán)形結構進(jìn)行感性饋電，或者加入T型配『31等結構。另外，為了在規定的等效全向輻射功率（EIRP）下獲得更遠的閱讀距離除了要求電子標簽天線(xiàn)也具有高增益。還要求電子標簽天線(xiàn)和標簽芯片之間能夠有足夠的匹配。

在標簽天線(xiàn)進(jìn)行設計和仿真并獲得理想結果之后，需要將天線(xiàn)加工并進(jìn)行測試以驗證設計和仿真的正確性。也正兇為前文中所介紹的標簽天線(xiàn)具有復數阻抗的特性，其測試方法和具有實(shí)數阻抗天線(xiàn)的測試方法有所區別。另外，在同一個(gè)標簽天線(xiàn)的測試過(guò)程巾，根據所需數據的不同其測試方法也有所不同通常測試天線(xiàn)的過(guò)程中并不需要專(zhuān)門(mén)測試天線(xiàn)的輸入阻抗。但標簽天線(xiàn)的阻抗為負數阻抗，且其虛部與實(shí)部之比較大（通常X/R》10），這樣的阻抗曲線(xiàn)在smith 圓圖中靠近短路圓不易通過(guò)smith網(wǎng)圖觀(guān)察天線(xiàn)的阻抗帶寬。為了獲得標簽天線(xiàn)的輸入阻抗?？梢詫y試設備的輸出端口直接與天線(xiàn)的輸入端口相連由于這種方式并未考慮標簽天線(xiàn)本身具有復數阻抗這一特性。天線(xiàn)和測試設備之間并沒(méi)有取得共軛匹配，此時(shí)只能得到天線(xiàn)的阻抗參數，諸如散射矩陣參數和駐波比等常用來(lái)衡量天線(xiàn)的電路參數不能直接獲得。

為了獲得是散射參數和駐波比等電路參數，以便對天線(xiàn)的阻抗帶寬特性進(jìn)行評價(jià)，可將實(shí)測的阻抗參數帶入相關(guān)公式進(jìn)行計算或者采用阻抗匹配的方法在測試設備和天線(xiàn)之間加入匹配電路。匹配電路可用兩種方法構成，一是采用工作頻率較高的分立元件構成，二是采用微波電路構成。需要注意的是配電路應該距離天線(xiàn)端口足夠近。這樣才能獲得較大的帶寬并避免天線(xiàn)和配電路之間的連接線(xiàn)路帶來(lái)的負面影響。

電路用于標簽天線(xiàn)的測試。不過(guò)采用匹配電路具有一些缺點(diǎn)：

　　l.不論使用分立元件還是使用微波電路來(lái)構成阻抗配電路，其帶寬總是受限的，當天線(xiàn)真實(shí)帶寬大于配電路的帶寬時(shí)，所測試到的帶寬將不再準確;

　　2.南于配電路總是存在損耗，所以測試得到的帶寬和回波損耗值等參數和真實(shí)的天線(xiàn)參數有一些差別;

　　3.引入的配電路總是和天線(xiàn)之間存在距離，從而使得測試現一定誤差。

采上述使用匹配電路進(jìn)行測試的方案除了可以獲得一定精度的帶寬和同波損耗等參數之外，對于測試天線(xiàn)的方向圖和增益等輻射特性也是必須的。只有通過(guò)阻抗配電路才能將天線(xiàn)接收到的絕大部分能量基本無(wú)反射地傳遞到測試系統中，從而測試相應的輻射參數。

結語(yǔ)

隨著(zhù)射頻識別技術(shù)的應用不斷擴大，越來(lái)越多的場(chǎng)合要求使用射頻識別系統。電子標簽天線(xiàn)作為射頻識別系統中不可或缺的重要一環(huán)，其設計、生產(chǎn)、測試等均是未來(lái)研究的主要內容之一由于電磁波的固有特性，在諸如臨近金屬、液體等環(huán)境中，射頻識別系統的性能將大打折扣。在這樣的環(huán)境中除了提高讀寫(xiě)器的性能之外，電子標簽天線(xiàn)的性能的提高更為重要。目前我們正在針對電子標簽天線(xiàn)在這些復雜環(huán)境中的應用展開(kāi)研究。另外，柔性電子標簽貼附在非平坦表面時(shí)性能也會(huì )有所惡化。如何避免柔性標簽應用到非平坦表面帶來(lái)的影響也是目前我們另一個(gè)研究重點(diǎn)。