RFID標(biāo)簽天線熱點(diǎn)問題

1 引言

射頻識(shí)別是一種使用射頻技術(shù)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有傳輸速率快、防沖撞、大批量讀取、運(yùn)動(dòng)過程讀取等優(yōu)勢(shì)，因此，RFID技術(shù)在物流與供應(yīng)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(yīng)用潛力。目前，射頻識(shí)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(yīng)用最為廣泛。

2 RFID技術(shù)原理

RFID系統(tǒng)主要由讀寫器(target)、應(yīng)答器(RFID標(biāo)簽)和后臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，其中，讀寫器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ)，由控制單元、高頻通信模塊和天線組成，標(biāo)簽主要由一塊集成電路芯片及外接天線組成，其中電路芯片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路。標(biāo)簽按照供電原理可分為有源(active)標(biāo)簽、半有源(semi.active)標(biāo)簽和無源(passive)標(biāo)簽，無源標(biāo)簽因?yàn)槌杀镜?、體積小而備受青睞。 　　RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器發(fā)射射頻場(chǎng)后，將天線獲得的感應(yīng)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(yīng)電流通過射頻前端電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行處理，需要回復(fù)的信息則從標(biāo)簽存儲(chǔ)器發(fā)出，經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回讀寫器。

3 RFID系統(tǒng)中的天線

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

3.1 RFID系統(tǒng)天線的類別

按RFID標(biāo)簽芯片的供電方式來分，RFID標(biāo)簽天線可以分為有源天線和無源天線兩類。有源天線的性能要求較無源天線要低一些，但是其性能受電池壽命的影響很大：無源天線能夠克服有源天線受電池限制的不足.但是對(duì)天線的性能要求很高。目前，RFID天線的研究重點(diǎn)是無源天線。從RFID系統(tǒng)工作頻段來分.在LF、HF段f如6.78 MHz、13.56 MHz)I作的RFID系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在感應(yīng)場(chǎng)區(qū)域(似穩(wěn)場(chǎng))中完成，也稱為感應(yīng)耦合系統(tǒng);在UHF段(如915 MHz、2 400 Mttz)Z作的系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域(輻射場(chǎng))中完成，也稱為微波輻射系統(tǒng)。由于兩種系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳送方式不同，對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽天線及前端部分存在各自特殊性，因此標(biāo)簽天線分為近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用的是近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線，由多匝電感線圈組成，電感線圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量;微波輻射系統(tǒng)使用的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線通常是諧振式的，一般取半波長(zhǎng)。

天線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(biāo)簽尺寸，與近場(chǎng)感應(yīng)天線相比，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線的輻射效率較高。

3.2 RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求

RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求主要包括：天線的物理尺寸足夠小，能滿足標(biāo)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(hào)給標(biāo)簽的芯片;阻抗匹配好，無論標(biāo)簽在什么方向，標(biāo)簽天線的極化都能與讀寫器的信號(hào)相匹配;具有頑健性及低成本。在選擇天線時(shí)主要考慮：天線的類型，天線的阻抗，應(yīng)用到物品上的RF性能，當(dāng)有其他物品圍繞標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能。

4 RFID標(biāo)簽天線的類別和研究現(xiàn)狀

標(biāo)簽天線主要分為3大類：線圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或?qū)⒔饘倬€纏繞在磁心上;偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋人，天線的長(zhǎng)度決定頻率范圍;縫隙型天線是由金屬表面切出的凹槽構(gòu)成，其中微帶貼片天線由一塊末端帶有長(zhǎng)方形的電路板構(gòu)成，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)寬決定頻率范圍。

識(shí)別距離小于1 m的中低頻近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線圈型天線;以上的高頻或微波頻段的遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)需要采用偶極子和縫隙型天線。

4.1 線圈型天線

當(dāng)標(biāo)簽線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中，標(biāo)簽天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器。兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。由標(biāo)簽天線形成的諧振回路如圖1所示。 圖1 標(biāo)簽等效電路　　標(biāo)簽和讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是. 當(dāng)要求標(biāo)簽天線線圈外形很小，即面積小，且需一定的工作距離，RFID標(biāo)簽與讀寫器問的天線線圈互感量( 就明顯不能滿足實(shí)際需求，可以在標(biāo)簽天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率㈥的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面小的問題”。目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)已很成熟，廣泛地應(yīng)用在身份識(shí)別、貨物標(biāo)簽等RFID系統(tǒng)中，但是對(duì)于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場(chǎng)合，采用線圈型天線難以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo)。

4.2 偶極子天線

偶極子天線具有輻射能力好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)嘲，可以設(shè)計(jì)成適用于全方位通信的RFID系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，尤其是在遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。

傳統(tǒng)半波偶極子天線的最大問題在于對(duì)標(biāo)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、折疊的偶極子天線可以通過選擇合適的幾何參數(shù)來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(tǒng)半波偶極子天線相比尺寸要小很多，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。已知增加天線的彎折次數(shù)有利于在不降低天線效率的情況下減小天線尺寸，那么，如何在有限的空問下進(jìn)行“彎折”，“彎折”的具體參數(shù)對(duì)標(biāo)簽天線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(jié)構(gòu)的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點(diǎn)，應(yīng)用到天線設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)天線多頻段特性和尺寸縮減特性。國內(nèi)外對(duì)具有分形結(jié)構(gòu)的天線做了大量研究工作，證實(shí)了分形結(jié)構(gòu)的天線具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線效率網(wǎng)。