賞書誠

摘 要： 無源UHF頻段RFID技術(shù)信號(hào)傳輸速度快，覆蓋距離遠(yuǎn)，通過與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息共享。該技術(shù)由射頻模擬前端電路、控制邏輯電路等組成的無源UHF超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽系統(tǒng)，由外接天線與讀寫器完成通信，天線既要與識(shí)別標(biāo)簽相匹配，又要與讀寫器較好地通信，天線決定了標(biāo)簽是否能正常工作，同時(shí)也決定了信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。為此，通過研究天線的匹配阻抗、形狀尺寸與大小，以及頻帶的設(shè)計(jì)，探索出了低成本、高可靠的天線設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞： 超高頻； 射頻識(shí)別； 標(biāo)簽； 天線； 阻抗匹配

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）01-07-04

0 引言

RFID射頻識(shí)別技術(shù)具有非接觸性識(shí)讀、可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體、信息容量大、保密性好、抗惡劣環(huán)境、準(zhǔn)確性和安全性高、可識(shí)別多個(gè)識(shí)別對(duì)象、硬件體積小、壽命長、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。RFID射頻識(shí)別技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)方面，如：物流運(yùn)輸、商品零售、醫(yī)療系統(tǒng)、防偽標(biāo)識(shí)、智能交通等。

1 射頻識(shí)別系統(tǒng)概述

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)空間傳輸特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換，RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（TAG）、射頻識(shí)別閱讀器（Reader）和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換管理系統(tǒng)等三部分組成，典型RFID系統(tǒng)如圖1所示。

計(jì)算機(jī)通過軟件控制整個(gè)系統(tǒng)的工作過程，并向讀寫器發(fā)送信號(hào)，讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)給標(biāo)簽，標(biāo)簽識(shí)別來自讀寫器的信號(hào)后，通過天線發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)響應(yīng)到該讀寫器。計(jì)算機(jī)同時(shí)接收并處理讀寫器返回的信息，進(jìn)行相關(guān)控制與處理，然后發(fā)出相應(yīng)的指令信號(hào)；RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作場范圍內(nèi)時(shí)，通過其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使RFID標(biāo)簽被激活后向閱讀器發(fā)出編碼等，RFID電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息從接收到的射頻脈沖信號(hào)中解調(diào)出來，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到相關(guān)的控制邏輯系統(tǒng)，邏輯控制系統(tǒng)接收到信息指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、發(fā)送以及其他相關(guān)操作；閱讀器接收到來自于電子標(biāo)簽的相應(yīng)載波信號(hào)后，對(duì)接收到的信號(hào)實(shí)施解調(diào)、解碼，然后送到計(jì)算機(jī)主機(jī)，由計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；標(biāo)簽和閱讀器之間的交互通信操作會(huì)遵從一個(gè)特定命令協(xié)議，此協(xié)議已規(guī)定了閱讀器對(duì)在其通信工作范圍內(nèi)的單個(gè)電子標(biāo)簽或多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行操作通信全過程。

其中閱讀器通過天線與電子標(biāo)簽通過電磁波傳輸，傳輸過程如圖2所示。

無源超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）電子標(biāo)簽一般由天線、射頻模擬前端電路、控制邏輯電路、數(shù)字基帶電路和存儲(chǔ)器等部分組成。而射頻模擬前端電路又由射頻前端電路、電源管理模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生電路組成[2]。典型的RFID電子標(biāo)簽系統(tǒng)如圖3所示。

2 無源UHF超高頻標(biāo)簽天線

天線是電子標(biāo)簽惟一的外接部分，它主要負(fù)責(zé)接收來自閱讀器的射頻信息能量以及閱讀器發(fā)送給電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)通過反向散射調(diào)制處理將電子標(biāo)簽的信息發(fā)送返回給閱讀器。

UHF RFID電子標(biāo)簽使用的天線應(yīng)具備以下特點(diǎn)：全向性[3]，或至少半球輻射的特性；尺寸盡量小，滿足電子標(biāo)簽的面積要求，能方便地將標(biāo)簽貼到物體上；能與標(biāo)簽芯片阻抗能良好地匹配；具備線極化或者是雙極化的特性；滿足設(shè)計(jì)要求的增益；成本低。

根據(jù)這些設(shè)計(jì)要求，我們?cè)趯?duì)天線幾種設(shè)計(jì)方式的主要性能指標(biāo)作詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出最符合要求的UHF RFID標(biāo)簽的天線。

3 偶極子天線性能指標(biāo)

偶極子天線的主要性能包括：天線的輸入阻抗、增益、諧振頻率、極化方式、波瓣寬度、頻帶寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 天線的輸入阻抗

經(jīng)計(jì)算后可得到半波長偶極子天線輻射電阻Rr等于73Ω，若RFID系統(tǒng)在工作頻率范圍之內(nèi)，該天線阻抗就可以與電子標(biāo)簽芯片的阻抗進(jìn)行極好匹配。

當(dāng)阻抗不能極好地匹配時(shí)，就存在著入射波以及反射波，反射系數(shù)G是反射波的幅度同入射波的幅度比值，此時(shí)回波損耗是反射系數(shù)導(dǎo)數(shù)，也就是說S11=20lg（Γ），并且駐波比VSWR是波腹電壓同波節(jié)電壓的幅度之比，也就是，當(dāng)反射系數(shù)G越小，回波損耗 S11的值也就越大，當(dāng)VSWR駐波比的值趨近于1時(shí)，天線的匹配阻抗肯定會(huì)更好一些。

3.2 天線的增益

天線增益在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比，增益與天線方向圖的關(guān)系是方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。相同的條件下，增益越高，信號(hào)傳播能力超強(qiáng)，傳輸距離越遠(yuǎn)。dBi 是相對(duì)于全向性天線的增益，dBd是相對(duì)于對(duì)稱振子天線的增益，二者之間的關(guān)系為dBi=dBd+2.15。

3.3 天線諧振頻率

天線諧振頻率為天線工作的中心頻率，UHF RFID標(biāo)簽載波的中心頻率為915MHz，天線諧振頻率即為915MHz，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描 S11參數(shù)來測(cè)定，S11參數(shù)越小表示反射越小，同時(shí)表明匹配性能越好，一般典型S11參數(shù)值為-10dB。

3.4 天線的極化方式

天線輻射時(shí)形成的電場強(qiáng)度方向，天線的極化方式分為垂直與水平極化和±45?極化兩種方式，后者性能上優(yōu)于前者，因此天線的設(shè)計(jì)一般采用±45?極化方式。

3.5 天線的波瓣寬度

波瓣寬度即為波束寬度、主瓣的寬度或者是半功率角，是在主瓣的最大輻射兩側(cè)方向，若輻射的強(qiáng)度降低到3dB（也就是降低一半功率密度）時(shí)的兩點(diǎn)之間夾角。當(dāng)波瓣越窄，方向性就越好，作用距離也越遠(yuǎn)，它的抗干擾能力也就越強(qiáng)。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時(shí)信號(hào)衰減越快，越容易通過調(diào)整天線傾角準(zhǔn)確控制覆蓋范圍。

3.6 天線工作頻帶的寬度

天線工作頻帶的寬度一般有兩種定義方法：一是指駐波比VSWR≤1.5的條件下，天線工作頻帶的寬度；二是天線增益下降到3dB范圍時(shí)工作頻帶的寬度。

天線載體也就是襯底，對(duì)天線電性能也會(huì)造成影響，若考慮成本的話，RFID天線載體一般會(huì)選擇聚乙烯和聚丙烯二種材料。由此，天線襯底的材料介電常數(shù)（εr）、損耗角正切（tanδ）均會(huì)影響天線工作的性能，εr是表明電荷儲(chǔ)存能力，而tanδ表示的是天線能量的損失大小。由于天線輸入阻抗會(huì)隨著頻率變化，因此經(jīng)常將阻抗的帶寬稱為天線的帶寬，天線襯底的厚度影響到天線工作頻帶的寬度。

4 UHF RFID偶極子天線設(shè)計(jì)

通過電磁場三維平面仿真器對(duì)UHF RFID電子標(biāo)簽的天線實(shí)施設(shè)計(jì)以及仿真，通常計(jì)算帶狀線、共面波導(dǎo)、微帶線等天線的電磁特性，以及天線輻射特性時(shí)使用矩量法，對(duì)于PCB板的耦合、寄生等這類效應(yīng)，通過仿真均能準(zhǔn)確地形成EM模型，結(jié)合寄生和耦合時(shí)效應(yīng)，能準(zhǔn)確地仿真出S參數(shù)以及遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的輻射場的形狀，還有天線表面電流的分布情況。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)的偶極子天線設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)了一款標(biāo)準(zhǔn)的偶極子天線，能較好地與所設(shè)計(jì)的 UHF RFID電子標(biāo)簽芯片匹配。標(biāo)準(zhǔn)偶極子的天線使用金屬銅，采用1mm厚度、3.4的介電常數(shù)、0.018損耗角正切值的PCB 板作為底板，并將天線單臂長度設(shè)計(jì)成6.5cm，中間作為輸入饋點(diǎn)，其結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)仿真后測(cè)試出S11參數(shù)結(jié)果如圖5所示，天線諧振頻率阻抗結(jié)果如圖6所示，其增益與效率關(guān)系曲線如圖7所示。

4.2 變形后的偶極子天線

在標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線上進(jìn)行微小的調(diào)整，減小天線的雙臂長，并且同時(shí)通過增加附屬天線臂展寬度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的工作帶寬的調(diào)整，同時(shí)調(diào)整了天線的阻抗。具體形狀如圖8所示。

經(jīng)測(cè)試天線在920.8MHz頻率處進(jìn)行諧振，該諧振點(diǎn)S11是-44dB，工作頻率的帶寬是73MHz，諧振點(diǎn)頻率處的阻抗是51.001+j6.278W，峰值增益是1dBi，效率達(dá)到90%，以上幾個(gè)指標(biāo)基本上能滿足UHF RFID系統(tǒng)工作的需求。

4.3 增加天線的阻抗

為實(shí)現(xiàn)更好阻抗的匹配，增加了天線阻抗虛部，以實(shí)現(xiàn)天線與電子標(biāo)簽芯片的輸入阻抗良好匹配。

經(jīng)測(cè)試，天線大約在742MHz頻率處進(jìn)行諧振，在915.6MHz頻率的S11是-1.013dB，工作頻率的帶寬是42MHz，在該頻率處的天線的阻抗是73.111+j247.310W，峰值增益是1.2dBi，效率是81%，通過調(diào)整天線的阻抗，天線與電子標(biāo)簽芯片的輸入阻抗能良好匹配，幾項(xiàng)指標(biāo)基本上能滿足UHF RFID系統(tǒng)工作的需求。

5 天線其他幾種設(shè)計(jì)方案

5.1 折彎天線

在實(shí)際的應(yīng)用中，天線長度有時(shí)會(huì)受到應(yīng)用場合限制，如體積小、粘貼不方便等情況，因此需將偶極子天線進(jìn)行折彎[6]處理，以符合工作場合的實(shí)際需要。具體形狀如圖9所示。

經(jīng)測(cè)試，工作在915MHz頻率時(shí)天線的阻抗是7.7-j98W，主要因?yàn)樘炀€在彎折后對(duì)其諧振頻率有較大的影響，會(huì)產(chǎn)生感抗，造成了該天線與電子標(biāo)簽并沒有達(dá)到阻抗匹配，因此需要對(duì)此天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，改造后的阻抗匹配結(jié)構(gòu)才能滿足阻抗的匹配。一般會(huì)采用耦合法和T型性[7]來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改造，從而完成二者阻抗的匹配。

5.2 液體底版對(duì)RFID電子標(biāo)簽的影響

在實(shí)際的應(yīng)用中，若RFID電子標(biāo)簽貼附在藥品、農(nóng)藥、清潔劑等液體的外包裝上，由于底版的液體是電介質(zhì)，液體的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，液體不僅會(huì)改變標(biāo)簽天線的阻抗，使其與電子標(biāo)簽芯片之間阻抗完全失配，而且還會(huì)改變天線的輻射方向，使其天線的增益減小、諧振頻率減小，阻抗也隨之發(fā)生變化。因此當(dāng)標(biāo)簽貼附在液體物品表面時(shí)，其讀取距離必定會(huì)變得很近，有時(shí)甚至無法讀取。這時(shí)需對(duì)天線進(jìn)行改進(jìn)，以滿足RFID系統(tǒng)的要求。

5.3 微帶天線

在帶有導(dǎo)體接地介質(zhì)基板上貼加導(dǎo)體薄片的天線是微帶天線[8]。用同軸線或微帶線進(jìn)行饋電，在接地板和金屬導(dǎo)體貼片之間進(jìn)行激勵(lì)產(chǎn)生電磁場，并通過貼片周邊縫隙向外進(jìn)行福射。具體形狀如圖10所示。

微帶天線具有的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕，低剖面，并且能與載體共形；其電性能更加多樣化；能與有源器件、電路集成為一體的組件。

微帶天線也存在一些缺點(diǎn)，如：頻帶窄；損耗較大，造成效率低；單個(gè)微帶天線的功率容量比較小；另外就是介質(zhì)基片也對(duì)性能的影響較大。

在實(shí)際應(yīng)用中，其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了缺點(diǎn)，通過其他的技術(shù)手段可以克服其缺點(diǎn)，因此，微帶天線在RFID系統(tǒng)中同樣得到了廣泛的應(yīng)用。

6 結(jié)束語

通過對(duì)RFID系統(tǒng)中天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論研究，再基于天線方向性、增益、效率等幾個(gè)主要性能參數(shù)的研究，重點(diǎn)關(guān)注天線與芯片的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽芯片的能量最大化的傳輸。本文研究并設(shè)計(jì)出幾種與芯片良好匹配的偶極子天線，所設(shè)計(jì)的天線，其增益、效率以及方向性等參數(shù)基本能滿足設(shè)計(jì)要求，通過仿真測(cè)試，對(duì)一些結(jié)構(gòu)或參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，就可以設(shè)計(jì)出適應(yīng)不同應(yīng)用場合與條件，各種不同尺寸和形狀的標(biāo)簽天線，此方法在天線設(shè)計(jì)中應(yīng)用面極廣。

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