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RFID技術應用前景分析及 RFID天線分析

來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時間：2009/01/12
　   1、前言
    
    無線射頻識別技術(RadioFrequencyIdentification，RFID)是從二十世紀九十年代興起的一項利用射頻信號進行非接觸式雙向通信，自動識別目標對象并獲取相關信息數(shù)據(jù)的無線通信技術。
    
    目前常用的自動識別技術中，條碼和磁卡的成本較低，但是都容易磨損，且數(shù)據(jù)量很小不能改寫；接觸式IC卡的價格稍高，數(shù)據(jù)存儲量較大，安全性相對較好，但是也容易磨損，壽命短；而RFID技術具有精度高、適應環(huán)境能力強、讀取距離遠、抗干擾強、應用便利等許多優(yōu)點，實現(xiàn)了免接觸操作，無機械磨損，壽命長，無需可見光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性強，而且，可以在惡劣環(huán)境下工作，支持寫入數(shù)據(jù)，可重復使用，并且使用了防沖撞技術，能夠同時識別多個高速運動物體。
    
    隨著科學技術的進步，RFID已涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域，例如火車的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動收費系統(tǒng)、物品管理、流水線生產(chǎn)自動化、門禁系統(tǒng)、金融交易、倉儲管理、畜牧管理、車輛防盜等.RFID技術將成為未來信息社會建設的一項基礎技術。
    
    2、RFID原理介紹
    
    RFID系統(tǒng)基本上都由電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader&Writer）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（CenterProcessor）三大部分組成。電子標簽由片上天線及集成芯片組成,通過電磁波與讀寫器進行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫和加密通信功能。讀寫器主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理、對電子標簽進行讀寫控制等。RFID系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。
    
    RFID系統(tǒng)的工作原理其實也很簡單：讀寫器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載到高頻載波信號上再經(jīng)天線向外發(fā)送。進入讀寫器工作區(qū)域的電子標簽接收此信號，卡內(nèi)芯片的有關電路對此信號進行倍壓整流、調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過片上天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼、解密后送至信息系統(tǒng)進行處理；若為修改信息的寫命令，有關控制邏輯引起電子標簽內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供電壓擦寫E2PROM。若經(jīng)判斷其對應密碼和權限不符，則返回出錯信息。
    
    3、中國RFID應用前景
    
    2006年中國RFID領域各種新技術和應用點不斷出現(xiàn)，RFID相關應用與技術發(fā)展進入了真正的市場爭奪階段。關于RFID標準的爭奪也進入白熱化階段，美國EPCglobal、國際ISO/IEC18000、日本UID三大標準之爭日益劇烈，中國射頻識別（RFID）技術政策白皮書也于2006年6月9號出臺，為中國的RFID發(fā)展指明了方向，奠定了基礎。
    
    與美德日等發(fā)達國家相比，中國在RFID技術和應用上還只是處于發(fā)展初期。中國RFID企業(yè)總數(shù)有100多家，RFID行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，但是相關的RFID關鍵技術缺乏，自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品非常少。低頻（LF）和高頻（HF）RFID發(fā)展較早，技術成熟，產(chǎn)品應用廣泛，技術門檻低，產(chǎn)品成本低，使得這兩個頻段的產(chǎn)業(yè)得到充分發(fā)展（例如二代身份證的大規(guī)模換發(fā)），但是產(chǎn)品同質化嚴重，市場越發(fā)飽和。而超高頻（UHF）RFID發(fā)展較晚，技術門檻高，我國沒有掌握芯片設計
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[!--empirenews.page--]制造、片上天線設計、封裝集成技術及裝備等關鍵核心技術，涉足的企業(yè)少，產(chǎn)品應用成本高，國內(nèi)還處于發(fā)展初級階段。而超高頻頻段市場潛力巨大，產(chǎn)品應用廣泛，是迫切需要開發(fā)的領域。
    
    4、RFID天線類型
    
    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，用來實現(xiàn)導行波與自由空間波能量的轉化。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔接收能量和發(fā)射能量的作用。當前的RFID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系統(tǒng)天線的原理和設計有著根本上的不同。RFID天線的增益和阻抗特性會對RFID系統(tǒng)的作用距離等產(chǎn)生影響，RFID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天線設計的好壞關系到整個RFID系統(tǒng)的成功與否。
    
    4.1、近場天線
    
    對于LF和HF頻段，系統(tǒng)工作在天線的近場，標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。近場天線的公式是：
    
    由上式可知，電場強度隨距離的三次方衰減，磁場強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行電能和磁能的交換。因為在近場實際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設計比較簡單，一般采用工藝簡單、成本低廉的線圈型天線。
    
    線圈型天線實質上就是一個諧振電路。在指定的工作頻率上，當感應阻抗等于電容阻抗的時候，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的線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz.，RFID應用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。某些應用環(huán)境要求RFID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。為了解決這個問題，我們通常在線圈內(nèi)部插入具有高導磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補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。
    
    4.2、遠場天線
    
    下面，我們著重討論遠場天線的理論分析和結構。對于超高頻和微波頻段，讀寫器天線要為標簽提供能量或喚醒有源標簽，工作距離較遠，一般位于讀寫器天線的遠場。遠場天線的公式為：
    
    由上式可得，電場強度和磁場強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。波印廷矢量為實數(shù)，電磁場以電磁波形式向外輻射能量。此時，天線設計對系統(tǒng)性能影響較大，多采用偶極子型或微帶貼片天線。下面分別予以詳細分析。
    
    4.2.1、偶極子天線
    
    偶極子天線，也稱為對稱振子天線，由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成。信號從中間的兩個端點饋入,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電子標簽中使用的是曲折型的折合偶極子天線。如圖4所示：
    
    利用麥克斯韋方程就可以求出偶極子天線的輻射場方程:
    
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[!--empirenews.page--]sp; 式中IZ為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù),r是振子中點到觀察點的距離,θ為振子軸到r的夾角,l為單個振子臂的長度.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).當單個振子臂的長度l=π/4時(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純電阻.例如，由N根導線折合偶極子，假設所有導線上的電路都相等，其饋端阻抗為70N2。在忽略天線粗細的橫向影響下,簡單的偶極子天線設計可以取振子的長度l為π/4的整數(shù)倍.當要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時,可采用折合偶極子天線.
    
    4.2.2、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
    
    微帶貼片天線質量輕、體積小、剖面薄,饋線和匹配網(wǎng)絡可以和天線同時制作，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、有源電路集成一體化等特點而成為印刷天線類的主角。
    
    通常微帶貼片天線的輻射導體與金屬地板距離為幾十分之一波長,假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化,僅沿約為半個波長的導體長度方向變化.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應用系統(tǒng)中。
    
    5、RFID天線設計要點
    
    RFID天線結構和環(huán)境因素對天線性能有很大影響。天線的結構決定了天線方向圖、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,導致金屬表面磁通量大大衰減.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，彈性基層會造成標簽及天線變形，寬頻帶信號源（如發(fā)動機、水泵、發(fā)電機）會產(chǎn)生電磁干擾等，這些都是我們設計天線時必須細致考慮的地方。目前，研究領域根據(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。
    
    天線的目標是傳輸最大的能量進出電路，這就需要仔細的設計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。當工作頻率增加到超高頻區(qū)域的時候，天線與標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。在傳統(tǒng)的天線設計中，我們可以通過控制天線尺寸和結構，使用阻抗匹配轉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)下準確測試，天線的設計也就難以達到最佳。
    
    對于近距離RFID應用，天線一般和讀寫器集成在一起，對于遠距離RFID系統(tǒng)，讀寫器天線天線和讀寫器一般采取分離式結構，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，比較適合標簽應用；由于標簽放置方向不可控，讀寫器天線一般采用圓極化方式。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計問題。國外已經(jīng)
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[!--empirenews.page--]開始研究在讀寫器應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"的打開和關閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線覆蓋區(qū)域的標簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍[6]。
    
    6、天線設計流程
    
    下面以微帶天線為例介紹RFID天線的設計流程，希望可以起到拋磚引玉的效果。因為微帶天線的性能指標與天線的微帶單元尺寸、基板尺寸、饋電點位置等密切相關，而這些參數(shù)又直接由RFID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[7]中相關公式，計算出貼片尺寸、饋電點的位置，再使用TransmissionLineCalculator工具計算出饋線的尺寸。得到以上設計參數(shù)之后，就可以在高頻軟件ADS的Layout中進行仿真。初步仿真后，在Schematic文件中進行天線匹配，然后參照匹配系數(shù)在Layout中進行修改，完成最終RFID微帶天線的設計。整個設計流程明晰流暢，簡單快捷,調(diào)試方便。
    
    7、結論
    
    目前，RFID技術已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個獨立的跨學科的專業(yè)領域，它將不同專業(yè)領域的技術綜合到一起：如天線技術、半導體技術、高頻技術、電磁兼容性、數(shù)據(jù)保護和密碼學、無線通信技術、封裝制造技術等專業(yè)領域。RFID技術很大程度上節(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天線設計技術作為整個RFID系統(tǒng)設計中相當關鍵的一項攻堅技術，需要我們在普通天線設計的基礎上更細致的考慮RFID系統(tǒng)應用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等的影響，為RFID系統(tǒng)的理想工作提供保證。
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