中心論題：

• RFID技術(shù)原理
• RFID天線(xiàn)類(lèi)型
• RFID射頻天線(xiàn)的設計

解決方案：

• 2.45GHz的RFID 偶極子天線(xiàn)
• 全向型偶極子天線(xiàn)

自1970 年第一張IC 卡問(wèn)世起, IC 卡成為當時(shí)微電子技術(shù)市場(chǎng)增長(cháng)最快的產(chǎn)品之一,到1996 年全世界發(fā)售IC 卡就有7 億多張 . 但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點(diǎn),即接觸點(diǎn)對腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍. 近年來(lái)人們開(kāi)始開(kāi)發(fā)應用非接觸式IC 卡來(lái)逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現系統與IC 卡之間數據交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應用于制作電子標簽或身份識別卡. 然而,RFID 在不同的應用環(huán)境中需要采用不同天線(xiàn)通訊技術(shù)來(lái)實(shí)現數據交換的. 這里我們將首先通過(guò)介紹RFID 應用系統的基本工作原理來(lái)具體說(shuō)明射頻天線(xiàn)的設計是RFID 不同應用系統的關(guān)鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線(xiàn)及其設計原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來(lái)設計了一種全向的RFID 天線(xiàn).

RFID 技術(shù)原理
通常情況下, RFID 的應用系統主要由讀寫(xiě)器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示. 其中,讀寫(xiě)器一般作為計算機終端,用來(lái)實(shí)現對RFID 卡的數據讀寫(xiě)和存儲,它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線(xiàn)組成.而RFID 卡則是一種無(wú)源的應答器,主要是由一塊集成電路( IC) 芯片及其外接天線(xiàn)組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 ,有的甚至將天線(xiàn)一起集成在同一芯片上 . 
 

RFID 應用系統的基本工作原理是RFID 卡進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)后,由其天線(xiàn)獲得的感應電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源,同時(shí)將帶信息的感應電流通過(guò)射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理;所需回復的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)回給讀寫(xiě)器. 可見(jiàn),RFID 卡與讀寫(xiě)器實(shí)現數據通訊過(guò)程中起關(guān)鍵的作用是天線(xiàn). 一方面,無(wú)源的RFID 卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過(guò)天線(xiàn)在讀寫(xiě)器天線(xiàn)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量;另一方面,天線(xiàn)決定了RFID 卡與讀寫(xiě)器之間的通訊信道和通訊方式.

目前RFID 已經(jīng)得到了廣泛應用,且有國際標準:ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種. 這些標準除規定了通訊數據幀協(xié)議外,還著(zhù)重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線(xiàn)物理特性相關(guān)的技術(shù)規格進(jìn)行了規范. RFID 應用系統的標準制定決定了RFID天線(xiàn)的選擇,下面將分別介紹已廣泛應用的各種類(lèi)型的RFID 天線(xiàn)及其性能.

RFID 天線(xiàn)類(lèi)型
RFID 主要有線(xiàn)圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線(xiàn). 其中,小于1 m 的近距離應用系統的RFID 天線(xiàn)一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線(xiàn)圈型天線(xiàn),它們主要工作在中低頻段. 而1 m 以上遠距離的應用系統需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線(xiàn),它們工作在高頻及微波頻段. 這幾種類(lèi)型天線(xiàn)的工作原理是不相同的.

a.線(xiàn)圈天線(xiàn)
當RFID 的線(xiàn)圈天線(xiàn)進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中,RFID 天線(xiàn)與讀寫(xiě)器天線(xiàn)之間的相互作用就類(lèi)似于變壓器,兩者的線(xiàn)圈相當于變壓器的初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈. 由RFID 的線(xiàn)圈天線(xiàn)形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線(xiàn)的線(xiàn)圈電感L 、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′,其諧振頻率為: 

(式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容) . RFID 應用系統就是通過(guò)這一頻率載波實(shí)現雙向數據通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀(guān)為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm) ,天線(xiàn)線(xiàn)圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz. 目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線(xiàn)圈天線(xiàn)的短距離RFID 應用系統.

某些應用要求RFID 天線(xiàn)線(xiàn)圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動(dòng)物識別的RFID. 線(xiàn)圈外形即面積小的話(huà),RFID 與讀寫(xiě)器間的天線(xiàn)線(xiàn)圈互感量M就明顯不能滿(mǎn)足實(shí)際使用. 通常在RFID 的天線(xiàn)線(xiàn)圈內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(xiàn)圈橫截面減小的問(wèn)題.

b.微帶貼片天線(xiàn)
微帶貼片天線(xiàn)是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導體所構成的 ,如圖3 所示. 根據天線(xiàn)輻射特性的需要,可以設計貼片導體為各種形狀. 通常貼片天線(xiàn)的輻射導體與金屬地板距離為幾十分之一波長(cháng),假設輻射電場(chǎng)沿導體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒(méi)有變化,僅沿約為半波長(cháng)(λg/ 2) 的導體長(cháng)度方向變化. 則微帶貼片天線(xiàn)的輻射基本上是由貼片導體開(kāi)路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應用系統中. 為了提高天線(xiàn)的性能并考慮其通訊方向性問(wèn)題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線(xiàn),如文獻[5,6]設計了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線(xiàn)和5.9 GHz 的雙縫隙天線(xiàn),其輻射波為線(xiàn)極化波;文獻[7,8]開(kāi)發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線(xiàn),它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來(lái)對二進(jìn)制數據中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼.
 

c.偶極子天線(xiàn)
在遠距離耦合的RFID 應用系統中,最常用的是偶極子天線(xiàn)(又稱(chēng)對稱(chēng)振子天線(xiàn)) . 偶極子天線(xiàn)及其演化形式如圖4 所示,其中偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細和等長(cháng)的直導線(xiàn)排成一條直線(xiàn)構成,信號從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入,在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布,這種電流分布就在天線(xiàn)周?chē)臻g激發(fā)起電磁場(chǎng).利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場(chǎng)方程:

式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數, r 是振子中點(diǎn)到觀(guān)察點(diǎn)的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個(gè)振子臂的長(cháng)度. 同樣,也可以得到天線(xiàn)的輸入阻抗、輸入回波損耗S11 、阻抗帶寬和天線(xiàn)增益等等特性參數 .

當單個(gè)振子臂的長(cháng)度l =λ/ 4 時(shí)(半波振子) ,輸入阻抗的電抗分量為零,天線(xiàn)輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻. 在忽略天線(xiàn)粗細的橫向影響下,簡(jiǎn)單的偶極子天線(xiàn)設計可以取振子的長(cháng)度l 為λ/ 4 的整數倍,如工作頻率為2. 45 GHz 的半波偶極子天線(xiàn),其長(cháng)度約為6 cm.當要求偶極子天線(xiàn)有較大的輸入阻抗時(shí),可采用圖4b的折合振子.

RFID 射頻天線(xiàn)的設計
從RFID 技術(shù)原理和RFID 天線(xiàn)類(lèi)型介紹上看,RFID 具體應用的關(guān)鍵在于RFID 天線(xiàn)的特點(diǎn)和性能.目前線(xiàn)圈型天線(xiàn)的實(shí)現技術(shù)很成熟,雖然都已廣泛地應用在如身份識別、貨物標簽等RFID 應用系統中,但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應用場(chǎng)合,采用線(xiàn)圈型天線(xiàn)則難以設計實(shí)現相應的性能指標. 同樣,如果采用微帶貼片天線(xiàn)的話(huà),由于實(shí)現工藝較復雜,成本較高,一時(shí)還無(wú)法被低成本的RFID 應用系統所選擇. 偶極子天線(xiàn)具有輻射能力較強、制造簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn),且可以設計成適用于全方向通訊的RFID 應用系統,因此,下面我們來(lái)具體設計一個(gè)工作于2. 45 GHz (國際工業(yè)醫療研究自由頻段) 的RFID 偶極子天線(xiàn).

半波偶極子天線(xiàn)模型如圖4a 所示. 天線(xiàn)采用銅材料(電導率:5.8e7 s/ m ,磁導率:1) ,位于充滿(mǎn)空氣的立方體中心. 在立方體外表面設定輻射吸收邊界. 輸入信號由天線(xiàn)中心處饋入,也就是RFID 芯片的所在位置. 對于2. 45 GHz 的工作頻率其半波長(cháng)度約為61mm ,設偶極子天線(xiàn)臂寬w 為1 mm ,且無(wú)限薄,由于天線(xiàn)臂寬的影響,要求實(shí)際的半波偶極子天線(xiàn)長(cháng)度為57mm. 在A(yíng)nsoft HFSS 工具平臺上, 采用有限元算法對該天線(xiàn)進(jìn)行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5a 所示,輻射場(chǎng)E 面(即最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面) 方向圖如圖5b 所示. 天線(xiàn)輸入阻抗約為72 Ω ,電壓駐波比(VSWR) 小于2.0 時(shí)的阻抗帶寬為14. 3 % ,天線(xiàn)增益為1.8.

從圖5b 可以看到在天線(xiàn)軸方向上,天線(xiàn)幾乎無(wú)輻射. 如果此時(shí)讀寫(xiě)器處于該方向上,應答器將不會(huì )做出任何反應. 為了獲得全方位輻射的天線(xiàn)以克服該缺點(diǎn),可以對天線(xiàn)做適當的變形,如在將偶極子天線(xiàn)臂末端垂直方向上延長(cháng)λ/ 4 成圖4c 所示. 這樣天線(xiàn)總長(cháng)度修改為(57. 0 mm + 2 ×28. 5 mm) ,天線(xiàn)臂寬仍然為1 mm. 天線(xiàn)臂延長(cháng)λ/ 4 后,整個(gè)天線(xiàn)諧振于1 個(gè)波長(cháng),而非原來(lái)的半個(gè)波長(cháng). 這就使得天線(xiàn)的輸入阻抗大大地增加,仿真計算結果約為2 kΩ. 其輸入回波損耗S11如圖6a 所示. 圖6b 為E 面(天線(xiàn)平面) 上的輻射場(chǎng)方向圖,其中實(shí)線(xiàn)為仿真結果,黑點(diǎn)為實(shí)際樣品測量數據,兩者結果較為吻合說(shuō)明了該設計是正確的. 從圖6b 可以看到在原來(lái)弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經(jīng)近似為全方向的了. 電壓駐波比(VSWR) 小于2. 0 時(shí)的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對于大部分RFID 應用系統,該偶極子天線(xiàn)可以滿(mǎn)足要求.

結束語(yǔ)
總之,RFID 的實(shí)際應用關(guān)鍵在于天線(xiàn)設計上,特別是對于具有非常大市場(chǎng)容量的商品標簽來(lái)說(shuō),要求RFID 能夠實(shí)現全方向的無(wú)線(xiàn)數據通訊,且還要價(jià)格低廉、體積小. 因此,我們所設計的上述這種全向型偶極子天線(xiàn)的結構簡(jiǎn)單、易于批量加工制造,是可以滿(mǎn)足實(shí)際需要的. 通過(guò)對設計出來(lái)實(shí)際樣品的進(jìn)行參數測試,測試結果與我們的設計預期結果是一致.