超高頻RFID天線設計技術研究

摘要：在RFID系統(tǒng)中，一個很重要的指標就是讀寫距離，影響讀寫距離的重要參數(shù)則是讀寫器天線和標簽天線的設計。天線設計是RFID無線射頻識別系統(tǒng)設計的關鍵部分，設計出合適的天線是確保系統(tǒng)正常通信的前提。從近場耦合天線的理論分析著手，通過實際RFID項目中的總結(jié)，結(jié)合實際RFID系統(tǒng)天線設計所需主要考慮的物理參量，并根據(jù)這些參量確定設計步驟。
關鍵詞：RFID技術；閱讀器天線；RFID電子標簽天線；天線設計

0 引言
RFID無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)的應用由來已久，最早可追溯到第二次世界大戰(zhàn)時，英國空軍飛機使用的敵我飛機識別系統(tǒng)。最近RFID無線射頻識別技術被廣泛應用于物品管理、車輛定位以及井下人員定位等。該技術是一種非接觸的自動識別技術，利用無線射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到自動識別目的。

1 RFID無線射頻技術概述
1．1 RFID無線識別系統(tǒng)的基本組成
RFID無線識別系統(tǒng)主要由RFID電子標簽、RFID閱讀器、天線以及上位機管理系統(tǒng)組成。RFID電子標簽和RFID讀寫器之間是通過無線方式傳輸信息的，因此它們之間都有無線收發(fā)模塊及天線(感應線圈)。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(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。由耦合元件及芯片組成，每個RFID電子標簽具有惟一的EPC(Electr ctronic ProductCode)電子編碼，附著在物體上標識目標對象。與傳統(tǒng)的條形碼相比，EPC編碼不僅可以反映某一類產(chǎn)品，還可以具體到某一件產(chǎn)品。
(2)RFID閱讀器(Reader)：讀寫器足可以讀取或者寫入電子標簽信息的設備，其基本功能就是與標簽進行數(shù)據(jù)的傳輸，可設計為手持式閱讀器或固定式閱讀器。
(3)天線(Antenna)：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。
1．2 RFID系統(tǒng)的工作原理
RFID電子標簽進入RFID讀寫器發(fā)射的磁場后，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，無源標簽或被動標簽)，或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標簽或主動標簽)，解瀆器瀆取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。射頻識別過程示意圖如圖2所示。

2 RFID標簽天線性能指標
從RFID系統(tǒng)的識別過程不難看出，RFID讀寫器在感知RFID電子標簽的過程中，天線在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讀寫器天線、RFID電子標簽天線的性能對提高整個識別系統(tǒng)的性能有著重要的意義。由于RFID電子標簽附著在被標識的物體上，RFID電子標簽天線會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無線射頻的裝置中，工作頻率增加到微波區(qū)域的時候，天線與RFID電子標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。這些因素給RFID電子標簽天線的設計提出了更高的要求，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
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，是電路與空間的界而器件，用來實現(xiàn)導行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。當前的RFID無線射頻系統(tǒng)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(tǒng)天線的原理和設計有著根本上的不同：
(1)方向特性
天線的輻射是具有方向性的。輻射場振幅與方向的關系曲線稱為方向圖，實際上就是遠區(qū)場任意方向上某點的場強同方向的關系曲線。方向圖一股指歸一化的方向圖，即遠區(qū)場任意方向上某點的場強與同一距離的最大場之比同方向的關系曲線。定義方向圖函數(shù)為：

式中EM是|E(α，β)|的最大值。
(2)方向性系數(shù)
方向性系數(shù)是用來表示天線向某一個方向集中輻射電磁波程度的一個參數(shù)。任一定向天線的方向性系數(shù)是指在接收點產(chǎn)生相等電場強度的條件下，非定向天線的總輻射功率對該定向天線的總輻射功率之比。按照此定義，由于定向天線在各個方向上的輻射強度不等，故天線的方向性系數(shù)也隨著觀察點的位置而不同，在輻射電場最大的方向，方向性系數(shù)也最大。一般情況下，定向天線的方向性系數(shù)就是最大輻射方向的方向性系數(shù)，即在離天線某一距離處，天線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方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度So之比，記為D，即：

(3)天線效率
天線效率是用以度量天線轉(zhuǎn)換能量的有效性的指標。天線效率均小于1，表示天線輸入功率一部分轉(zhuǎn)化為輻射功率，一部分為損耗功率。天線效率定義為天線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)天線增益
天線系數(shù)僅反映了天線輻射能最的集中程度，天線增益不僅反映了天線的輻射能力，還考慮了天線的損耗因數(shù)。在輸入功率相同的條件下，定向天線在空間某方向(θ，φ)的輻射功率密度S(θ，φ)與無損耗的點源天線在該方向輻射功率密度So之比，稱為天線的增益，記為G(θ，φ)。即：

增益系數(shù)是綜合衡量大線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向性系數(shù)與天線效率的乘積，記為G，即：
G=D·ηA
對于頻段為超高頻、微波的RFID無線射頻識別系統(tǒng)來說，由于RFID電子標簽天線面積較小，因此天線的增益也是有限的。增益的大小豐要取決于天線輻射模式的類型。
(5)阻抗特性
天線的輸入阻抗可以用天線饋電點處的電壓與電流之比來表示，通常為頻率的函數(shù)。RFID天線的阻抗應設計成50 Ω或70 Ω，以便和常規(guī)的饋線實現(xiàn)阻抗匹配。RFID天線相當于讀寫器與電子標簽輸出端的終端負載，輸入阻抗Zin定義為天線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部和虛部。
RFID天線的輻射功率P∑相當于在一個等效阻抗上所產(chǎn)牛的損耗。這個等效阻抗稱為輻射阻抗Z∑，即：

式中：I為參考電流；R∑，X∑分別為輻射阻抗的實部和虛部。

3 結(jié)論
隨著RFID無線射頻技術應用需求的不斷明確和應用領域的不斷拓展，作為RFID系統(tǒng)關鍵部件的天線的設計和研究變得十分緊要和迫切。天線技術是RFID系統(tǒng)的關鍵技術之一，對RFID技術的成熟和廣泛應用具有理論意義和實用價值。