張徐之,李 康,王 芳,趙維巍

(哈爾濱工業(yè)大學(深圳) Sauvage 智能材料實驗室 深圳市柔性印刷電子技術(shù)重點實驗室,廣東 深圳 518055)

RFID(Radio Frequency Identification)即射頻識別技術(shù),起源于第二次世界大戰(zhàn)中英國空軍設(shè)計的敵我識別系統(tǒng)。1948 年,美國科學家Stockman[1]研發(fā)了一種點對點通信的全新傳輸系統(tǒng),提出了反射功率通信的基本理論。Richardson[2]在1963 年發(fā)表了遠程激活射頻驅(qū)動設(shè)備的專利,為無源RFID 電子標簽的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。1967 年,Vinding[3]設(shè)計了問答器識別系統(tǒng),RFID 的工作模式被正式建立,RFID 系統(tǒng)開始得到廣泛研究。20 世紀80 年代,隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,RFID 技術(shù)研發(fā)也走向了一個全新的階段。單芯片集成電路的實現(xiàn)使RFID 系統(tǒng)趨于小型化,為RFID 標簽的應(yīng)用提供了可能性。到21 世紀,RFID標簽開始投入工業(yè)生產(chǎn),在各個場合被廣泛使用。RFID 系統(tǒng)通過天線實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)在標簽與讀寫器之間傳遞,在開發(fā)低成本、智能化和應(yīng)用特定的管理系統(tǒng)方面有一定優(yōu)勢[4]。RFID 系統(tǒng)的部署有助于降低勞動力成本和提高工作場所的生產(chǎn)率,現(xiàn)已在物流、醫(yī)療保健、交通、制藥行業(yè)[5]等多個領(lǐng)域應(yīng)用,RFID 技術(shù)的研究與普及對促進國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義。

天線、芯片和讀寫器是射頻識別系統(tǒng)的主要組成部分,射頻信號通過天線在標簽和讀寫器之間進行傳輸。標簽由天線和IC 芯片組成,服務(wù)于特定的應(yīng)用。RFID 系統(tǒng)中,天線是通信的橋梁紐帶。RFID 標簽與周圍環(huán)境之間的無線通信線路的效率和可靠性直接取決于天線[6],同時,RFID 系統(tǒng)設(shè)計的難點更多集中在標簽天線,尤其是天線線路設(shè)計上。對于應(yīng)用于個性化、小規(guī)模化定制的特殊場景的RFID 標簽而言,天線設(shè)計尤為重要。超高頻RFID 的天線設(shè)計需要滿足天線小型化、低成本、寬頻帶等要求。然而,為了匹配芯片阻抗,使用附加的集總元件通常會使設(shè)計變得龐大[7],因此需要探索新的匹配技術(shù),使電子標簽設(shè)計更緊湊。當天線的幾何形狀設(shè)計使天線尺寸因子成功減小時,天線的輻射效率會受到一定影響而降低,也就是說,研究者們總是難以在減小天線尺寸的同時保證天線性能。因此,如何通過新型的匹配技術(shù)和采用減小天線尺寸的新策略來為特定應(yīng)用場合下的電子標簽設(shè)計合適的天線變得更加重要,合理的天線電路設(shè)計成為了RFID 標簽中的研究重點。為此,本文對近年來RFID 標簽的應(yīng)用情況及研究進展進行了調(diào)研,對天線設(shè)計的相關(guān)知識和基本方法進行了概述,并總結(jié)了現(xiàn)有天線設(shè)計中的技術(shù)難點及部分解決方案,展望了RFID 標簽天線未來面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景。

1 RFID 應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

RFID 技術(shù)是一種效率極高的信息采集方式,將RFID 與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來,可最大化地利用RFID技術(shù)實現(xiàn)大范圍的信息跟蹤[8]。除此之外,RFID 電子標簽的高耐久性與抗污染能力[9]也進一步加強了其在應(yīng)用市場上的潛力。RFID 系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用場景其結(jié)構(gòu)組成會有所不同[10],但標簽天線始終是一個成功的RFID 系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一[11],是無線通信系統(tǒng)中重要的一環(huán),在RFID 系統(tǒng)中作為輻射或接收無線電波的裝置起關(guān)鍵作用。典型的RFID 系統(tǒng)工作原理如圖1 所示,天線在標簽和讀取器間傳遞射頻信號,天線是標簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置,通過電感耦合或電磁反向散射耦合原理和讀寫器進行通信。

圖1 RFID 系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of the RFID system

根據(jù)所應(yīng)用的不同頻段,射頻標簽天線可分為低頻、高頻、超高頻以及微波頻段四種類型。我國RFID相關(guān)標準規(guī)定,低頻RFID 系統(tǒng)的主要工作頻率為125 kHz 或134 kHz,應(yīng)用于近距離識別,識讀距離小于10 cm,傳輸信息量低,不能同時進行多標簽識別,可應(yīng)用在食堂飯卡等短距離應(yīng)用場景;高頻RFID 系統(tǒng)主要工作頻率為13.54 MHz,屬于近場RFID 技術(shù),識別距離為10 cm～1 m。高頻RFID 與低頻RFID 相比雖然讀取距離相差不大,但傳輸速度更快,存儲容量更高,且可進行多標簽識別,讀寫器與標簽交互過程中受外界影響小[12],主要應(yīng)用于門禁控制、電子付費等領(lǐng)域;超高頻RFID 系統(tǒng)的工作頻率范圍為860～960 MHz,采用的工作方式為電磁反向散射耦合[13],識讀距離一般為3～8 m,信息數(shù)據(jù)傳送速率快,可同時進行大量標簽的識讀,一般可應(yīng)用于物流管理等領(lǐng)域;微波RFID 系統(tǒng)的主要工作頻率為2.45 GHz 或5.8 GHz,識讀距離大于10 m,對環(huán)境的敏感度較高,可應(yīng)用于ETC、實時定位系統(tǒng)等領(lǐng)域。以下將具體介紹RFID 技術(shù)的典型應(yīng)用與研究現(xiàn)狀。

1.1 RFID 技術(shù)典型應(yīng)用

由于RFID 技術(shù)具有不受運動狀態(tài)與空間環(huán)境限制的特點,其一經(jīng)問世便引起了多個領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,典型應(yīng)用有:

(1)物流。在物流運輸管理中,電子標簽技術(shù)取代了大量人工作業(yè),大大提高了自動化水平和管理效率;

(2)身份識別。由于RFID 技術(shù)讀取信息的速度極快,準確性高且具有防偽性質(zhì),多個國家將其應(yīng)用于身份識別證件;

(3)供應(yīng)鏈管理。RFID 技術(shù)可應(yīng)用于零售業(yè),用于貨物的無線識別和跟蹤,如圖2 所示,可降低人力成本,減少出錯率;

圖2 超市中用于跟蹤識別貨物的RFID 系統(tǒng)Fig.2 A RFID system for tracking and identifying goods in a supermarket

(4)自動生產(chǎn)。RFID 系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的裝配流水線[14],通過對控制系統(tǒng)進行管理來實現(xiàn)自動生產(chǎn)[15]。

(5)圖書管理。圖書管理系統(tǒng)采用RFID 技術(shù),具有可移動、靈活性較大的特點,可以簡化圖書管理流程,極大地提高圖書管理效率,滿足圖書高效、快速的流通需求[16],促進圖書管理的現(xiàn)代化、智能化。最大的電子圖書館西雅圖公共圖書館啟用了由TAGSYS開發(fā)的UHF RFID 系統(tǒng),如圖3 所示,該系統(tǒng)可以實時檢查圖書的收集情況[17]。

圖3 圖書館中用于搜索標記圖書的RFID 系統(tǒng)Fig.3 A RFID system for searching and marking books in a library

除此之外,RFID 技術(shù)也在食品[18]、防偽和安全控制[19]、生物傳感[20]、醫(yī)療[21]、溫度傳感器[22]、交通[23]、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。可以看出,RFID 技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿?未來的應(yīng)用市場將極為廣闊。

1.2 天線設(shè)計研究現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi),歐美的RFID 技術(shù)處于世界領(lǐng)先行列,擁有比較成熟的天線設(shè)計技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。相較而言,我國的RFID 技術(shù)略為落后,雖然在技術(shù)門檻較低的低頻、高頻RFID 方面具有一定競爭力,但在如今應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的超高頻RFID 方面卻缺乏核心技術(shù)。

天線和芯片是RFID 系統(tǒng)的重要部件,但系統(tǒng)設(shè)計的難點還是更多集中在標簽天線,尤其是天線電路設(shè)計上。超高頻RFID 的天線設(shè)計需要滿足天線小型化、低成本、寬頻帶等要求,而標簽天線已經(jīng)成為了RFID 系統(tǒng)在實現(xiàn)小型化過程中的一個阻礙,當工作頻率上升到超高頻頻段時,無源RFID 標簽天線的設(shè)計也變得更加復(fù)雜和關(guān)鍵。在RFID 標簽天線的設(shè)計中,天線小型化問題始終是研究重點之一。同時,天線小型化后的增益和帶寬特性也是需要重點關(guān)注的內(nèi)容。除此之外,標簽天線研究的熱點還包括阻抗匹配技術(shù)、抗金屬天線設(shè)計技術(shù)、多頻寬帶天線設(shè)計、天線優(yōu)化分布技術(shù)、天線抗干擾性與一致性技術(shù)[24]等。

近年來,研究學者們提出了多種新型的RFID 標簽天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(1)減小尺寸:為了滿足軍事和商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求,近年來對小型、緊湊天線的需求大幅增加。

微帶貼片式天線因饋電方式多樣化以及饋電網(wǎng)絡(luò)集成化等特點在印刷天線中占據(jù)了重要的地位,但由于其諧振頻率是由貼片腔的主導(dǎo)模態(tài)決定的,因此微帶貼片天線難以實現(xiàn)小型化。盡管如此,研究者們進行了大量的實驗工作,為實現(xiàn)貼片天線小型化提供了一些新的思路。1995 年,Waterhouse 等[25]使用短路引腳從貼片中心將電壓零點移開,而短路元件與空載狀態(tài)下貼片電壓為零的相對位置決定了天線小型化的程度。當短路元件放置在貼片邊緣時,可實現(xiàn)電壓零點的最大偏移。從而可減小60%的天線橫向尺寸。2002年Gianvittorio 等[26]通過在輻射貼片上放置狹槽和對輻射邊緣進行分形化來增加天線電流路徑的長度,從而降低了天線的諧振頻率。擴展的電流路徑的長度決定了天線的小型化的實現(xiàn)程度,一般可縮減38%的天線尺寸。在垂直方向上,也可通過對貼片的折疊來實現(xiàn)貼片橫向尺寸的降低,但當貼片為多層結(jié)構(gòu)時,為了保證天線的整體體積保持不變,天線的厚度將會增加。微帶貼片天線也可以通過使用高介電常數(shù)材料來實現(xiàn)小型化。當加載相對介電常數(shù)為εr的空貼片腔時,其諧振頻率的降低正比于。因此高介電常數(shù)材料相對普通材料而言更適合用于制備尺寸大幅減小的天線,但其成本較高,不適合于天線的量產(chǎn)。2012 年,Ouedraogo 等[27]介紹了一種新的設(shè)計方法,通過在傳統(tǒng)的微帶貼片結(jié)構(gòu)與地平面之間增加一個包含互補分裂環(huán)諧振器的單層,可以在保持阻抗匹配和場模式結(jié)構(gòu)的同時,大大減小天線的尺寸,最高可減小75%。雖然天線小型化程度的提高會導(dǎo)致部分帶寬的損失和輻射效率的降低,但是研究中發(fā)現(xiàn)帶寬和輻射效率的降低處于可接受的范圍內(nèi)。

(2)增加頻帶寬度:新型人工材料如高阻抗表面、反應(yīng)性阻抗表面、磁介質(zhì)和超材料的出現(xiàn),在實現(xiàn)天線微型化的同時,還可實現(xiàn)天線帶寬的拓寬。2007年,Mosallaei 等[28]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)性阻抗表面可以在縮小天線尺寸的同時增加貼片天線的帶寬。2016 年,He等[29]使用超材料設(shè)計的微帶貼片天線實現(xiàn)了寬頻帶工作的良好性能。Aziz 等[30]在2012 年通過對圓形貼片天線由無槽到增加雙槽時的帶寬進行對比,發(fā)現(xiàn)雙槽技術(shù)可以將天線帶寬從30.3 MHz 提高到32.66 MHz,提高了近7.78%。

(3)阻抗匹配:天線在與芯片共軛匹配時能使輸出功率最大化,同時,共軛匹配要求超高頻輻射片輸入電阻小,輸入電感電抗大。2013 年,Alhawari 等[31]為了提高RFID 標簽天線的性能,提出了一種新的電感耦合饋電技術(shù)。標簽天線由兩個U 形饋電結(jié)構(gòu)和一個位于材料基板上表面的輻射偶極體組成。集成電路芯片端角直接與兩個相反的U 形結(jié)構(gòu)的中心連接,通過感應(yīng)耦合與天線進行通信。其中,U 形饋電結(jié)構(gòu)為輻射偶極子天線提供了等效電感,由此可對電感耦合強度進行靈活調(diào)整,為天線阻抗與芯片阻抗的有效匹配提供了簡單的解決方案。2016 年,Gao 等[32]在超高頻RFID 標簽天線的設(shè)計中采用了T 型匹配與分流饋電技術(shù)來獲得規(guī)定的輸入阻抗。2019 年,Bansal 等[7]采用了一種電感耦合天線的螺旋環(huán)形饋電方式來保證超高頻下標簽天線與芯片之間的共軛阻抗匹配。天線包括具有彎曲結(jié)構(gòu)的輻射元件和印刷在接收基板上的螺旋形匹配回路。標簽的電抗主要取決于螺旋回路的尺寸,螺旋形匹配回路被電感耦合到天線上,通過對天線進行尺寸調(diào)整可以很容易地實現(xiàn)與芯片阻抗的匹配,從而在諧振頻率下最大限度地實現(xiàn)標簽的功率傳輸。同時還可將彎曲的輻射元件耦合到回路中,以提高其輻射效率。他們所提出的標簽天線在體積尺寸、增益和帶寬方面也都有較好的整體性能,適用于超高頻范圍的RFID 應(yīng)用。

為了使天線與不同的芯片阻抗進行匹配,一般需要進行天線的重新設(shè)計。而2012 年,Tang 等[33]提出了一種基于雙蟹形貼片和微帶偶極子的新型寬帶天線結(jié)構(gòu),該天線可直接在金屬板或其他物體上進行集成,并實現(xiàn)與不同超高頻RFID 芯片的匹配。此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于不需要對標簽進行再設(shè)計就可用于不同RFID芯片的使用。小的微帶偶極子直接貼附在雙蟹形貼片上實現(xiàn)電路連接,可以使微帶天線帶寬得到有效提高。芯片通過兩個小型的微帶端口與偶極子相連接。此外,通過調(diào)整偶極子的寬度或偶極子到天線中心的距離可對天線阻抗進行改動,以實現(xiàn)標簽天線與不同的超高頻RFID 芯片的有效匹配。結(jié)果表明,該標簽天線具有較高的增益和良好的輻射性能。

(4)提高增益:傳統(tǒng)的微帶天線存在帶寬窄、增益低的問題。Balanis[34]提出了一種陷波技術(shù),可降低微帶貼片天線的回波損耗并提高其增益性能。2010年,Azad 等[35]為了提高天線的增益,提出了一種新型的單饋電正交線極化可調(diào)微帶陣列天線?；诩纳嚵屑夹g(shù)的結(jié)構(gòu)用于增益增強。天線由一個正方形饋電貼片、四個寄生貼片和四個開關(guān)二極管組成。四個開關(guān)二極管加載在饋電片的角上,通過通孔安裝在饋電片與地平面之間,以控制表面電流。實驗結(jié)果表明,四個寄生貼片圍繞饋電元件的布置可對增益實現(xiàn)明顯增強,使天線增益達到12 dB。

2 標簽天線設(shè)計方法

2.1 天線設(shè)計原則

2.1.1 阻抗匹配

RFID 電子標簽由標簽天線和芯片組成,在進行標簽天線的設(shè)計時,先根據(jù)實際應(yīng)用選取性能指標符合要求的芯片,再根據(jù)芯片阻抗值進行天線設(shè)計,同時為了保證天線的高傳輸效率,要盡可能地根據(jù)具體場合中的應(yīng)用頻率值進行天線形狀設(shè)計,使天線與芯片的阻抗能滿足共軛匹配。由于天線需要滿足小型化和低成本的需求,在標簽天線的設(shè)計過程中,通過設(shè)計額外的電路來實現(xiàn)芯片與天線的共軛匹配的方法是不可取的,應(yīng)該直接設(shè)計天線的形狀與結(jié)構(gòu)來使天線阻抗值與芯片的共軛匹配。無源電子標簽天線與芯片接口處的匹配十分關(guān)鍵[36],其等效電路圖如圖4 所示。

圖4 RFID 無源標簽等效電路Fig.4 Equivalent circuit of RFID passive tags

信號源阻抗為ZG(ZG=RG+jXG),其共軛阻抗為,天線負載阻抗為ZL,傳輸線特征阻抗為Z0(設(shè)傳輸線無損耗),輸入阻抗為Zin(Zin=Rin+jXin)。經(jīng)過簡化可得負載功率為[37]:

假設(shè)源阻抗ZG恒定,改變輸入阻抗Zin,為了得到最大功率P,對Zin的實部和虛部進行微分:

求解式(2)和(3)可得:

求解式(4)和(5)可得:Rin=RG,Xin=-XG,Zin=。

結(jié)果表明電子標簽與天線之間阻抗關(guān)系為共軛匹配,對于固定的源阻抗,在此條件下可使負載得到最大功率,代入式(1)可得最大功率值為:

由式(4)和(5)得出的結(jié)果及式(6)可看出,在共軛匹配的條件下,天線能最大化地進行能量輸出和接收。一般而言,RFID 系統(tǒng)中標簽芯片的阻抗值并不是固定的值,在不同的應(yīng)用環(huán)境與不同的應(yīng)用頻率下,其阻抗是個相應(yīng)變化值,因此為了得到標簽芯片的阻抗值,需要將標簽芯片置于目標應(yīng)用環(huán)境下,并根據(jù)此時在工作頻率下測得的阻抗值作為標簽天線的共軛匹配阻抗。

典型的無源RFID 標簽從根本上依賴的是天線與特定集成電路芯片標簽之間的理想阻抗匹配。理想的匹配可以增加芯片的工作功率,從而使讀取范圍最大化。新的匹配技術(shù)可以使電子標簽設(shè)計更緊湊,如使用彎曲結(jié)構(gòu)來減小天線尺寸,這種方法增加了電路的長度并減小了天線的物理尺寸。標簽天線通常采用電感耦合饋電和T 型匹配實現(xiàn)等效電感,以抵消芯片阻抗的電容性電抗。集成外部匹配網(wǎng)絡(luò)與額外的制造成本不是實現(xiàn)理想共軛匹配的最優(yōu)解,更新的一種嘗試是將天線直接匹配到芯片上,但這種方法將不得不處理隨頻率變化的標簽天線的復(fù)雜阻抗與驅(qū)動芯片的輸入功率問題[31]。另外,標簽附著的介質(zhì)、標簽貼附的平面反射與標簽到讀寫器的距離等參數(shù)都會對電子標簽的性能造成影響。因此,標簽天線的設(shè)計還面臨著眾多挑戰(zhàn),需要一一克服。

2.1.2 設(shè)計要求

對印刷型天線而言,天線設(shè)計尤為重要。天線線條寬度、天線匝數(shù)、天線尺寸與其性能和成本關(guān)系密切。天線越細,電阻越大,對品質(zhì)因素的影響也就越大,會對天線的識讀距離造成一定影響。但一般而言,天線線條寬度對性能影響較小。天線匝數(shù)增多會使其電感增大,在相同電容下天線的諧振頻率降低。而天線尺寸縮小會影響天線帶寬和輻射效率。同時,由于天線線條寬度、天線匝數(shù)與天線尺寸決定了天線面積,因此其不僅會對印刷型天線的性能造成影響,還將對天線的制造成本產(chǎn)生較大影響。由此可以看出,天線的設(shè)計實現(xiàn)性能與成本的平衡對印刷型天線而言十分重要。

總體而言,尺寸、成本、阻抗匹配、工作頻帶和讀取距離等都是設(shè)計RFID 標簽天線的重要因素[38]。而RFID 標簽天線的設(shè)計常需要在性能和尺寸之間進行權(quán)衡。標簽天線的電性能取決于它的最大讀取范圍,也就是取決于其增益值[39]。但在天線性能和尺寸要求之間總是存在矛盾。減小天線尺寸會降低其效率和增益,從而降低天線的最大通信距離。

由于大多數(shù)超高頻RFID 標簽必須附著在小物件上,所以超高頻RFID 標簽對天線的幾何尺寸要求更高。因此,當工作頻率上升到超高頻頻段時,應(yīng)用最為廣泛的無源RFID 標簽天線的設(shè)計變得更加復(fù)雜和關(guān)鍵。

超高頻RFID 標簽通常要求在小型化的同時其天線效率和增益也應(yīng)盡可能不受影響。因此研究人員開始將各種微型化技術(shù)應(yīng)用于天線設(shè)計中,如使用高介電常數(shù)材料作為基質(zhì)、加載短路引腳、插入插槽、使用超材料和倒F 配置以及曲流結(jié)構(gòu)設(shè)計等。同時,為了使RFID 系統(tǒng)滿足廣泛的應(yīng)用市場的需求,天線帶寬應(yīng)盡可能的寬。因此人們采用了各種帶寬拓寬方法,如降低天線的質(zhì)量因素,采用多貼片、多片結(jié)構(gòu)、微帶天線加載技術(shù)等[40]。然而,盡管上述方法可使天線具有微型化的結(jié)構(gòu)和良好的電磁性能,但在實際應(yīng)用中仍有很大的局限性[6]。除此之外,天線設(shè)計還需滿足應(yīng)用和環(huán)境一體化的要求,如金屬兼容性、魯棒性以及可靠的長距離運行[16]。

2.2 標簽天線設(shè)計流程

RFID 標簽天線設(shè)計的基本流程如下所示:

(1)工作場合的確定。首先應(yīng)確定RFID 標簽的應(yīng)用場合,根據(jù)目標應(yīng)用場所對標簽識讀距離的要求、RFID 標簽的工作頻率、標簽應(yīng)用場所是否為封閉式、應(yīng)用環(huán)境以及標簽附近是否存在金屬干擾等來選取適當?shù)奶炀€形式。

(2)基片材料的選取。確定RFID 標簽天線形式后就應(yīng)選定基片材料,介質(zhì)基片的介質(zhì)損耗因素tanδ、相對介電常數(shù)εr和厚度h會對天線的性能造成直接影響。選擇相對介電常數(shù)較低或厚度較高的基片材料會使制得的天線增益較高,頻帶較寬,效率也較高。通常情況下,介質(zhì)基片可取的最大厚度值需滿足其與波長之間的比值在0.2 附近。當選取的介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)較高時,天線的帶寬較窄,但尺寸相對較小;而當選取的介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)較低時,天線的頻帶較寬,但尺寸較大。實際上很難找到非常理想的介質(zhì)基片,因此基片材料的選取一般是根據(jù)實際情況而酌情考慮。

(3)天線尺寸要求。根據(jù)具體的應(yīng)用場合確定天線的尺寸范圍。一般當天線尺寸減小時,會造成某些方面的性能下降,但可以通過對天線形狀進行再設(shè)計,進而在滿足使用要求的前提下盡量達到減小天線尺寸的目標。

(4)芯片阻抗的確定。RFID 標簽天線阻抗需要滿足與芯片阻抗的共軛匹配,因此在天線設(shè)計中需要確定RFID 標簽芯片在工作頻率下的阻抗值,再根據(jù)得到的阻抗值進行天線形狀設(shè)計。

(5)天線設(shè)計仿真。目前天線設(shè)計仿真軟件有很多,如CST、HFSS(ANSYS/ANSOFT High Frequency Structure Simulator)、Sonnet、XFDTD、FEKO 等。不同軟件所側(cè)重的天線設(shè)計場景不同,目前應(yīng)用最為廣泛、綜合性能評價較好的軟件為HFSS。

使用HFSS 軟件進行天線設(shè)計的流程如圖5 所示。

圖5 HFSS 天線設(shè)計流程Fig.5 Antenna design process with HFSS

2.3 標簽天線的性能測試

RFID 標簽天線制備完成后需要對其重要參數(shù)進行測量,以檢測其性能優(yōu)劣。檢測方法如下:

(1)方向圖。天線方向圖可通過兩種方法進行測量,一是在天線輻射遠場測量數(shù)據(jù)并繪制方向圖;二是在條件不足,無法進行遠場測量時,通過測量輻射近場的數(shù)據(jù),間接分析推算出天線遠場輻射場。

(2)增益。天線增益可用頻譜分析儀進行測量。測試時可使用一種天線作為標準發(fā)射天線,再用另一種標準天線和待測天線作為接收天線進行對比實驗,最后通過接收到的信號對比計算得出天線具體增益值。

(3)阻抗。目前最常用的標簽天線阻抗測試方法有測量線法、掃頻反射計法和鏡像法等。測量線法的精度較高,但每次測量只能反映一個頻率上的測量結(jié)果,不適于寬帶內(nèi)的阻抗測量。掃頻反射計法可快速得到頻帶范圍內(nèi)天線的響應(yīng)曲線,但設(shè)備復(fù)雜,頻率受限于測試設(shè)備的工作頻帶[41]。鏡像法主要用于對稱的偶極子標簽天線的阻抗測量,可通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的一半進行測量,再推導(dǎo)出整個標簽天線的阻抗。由Alhawari 等[31]提出的差分探針具有對稱的結(jié)構(gòu),因此被用來測量標簽天線的特性。天線阻抗測量設(shè)置如圖6 所示。實驗測量是在室內(nèi)環(huán)境中進行,將差分探針一端連接至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,另一端焊接到標簽天線。

圖6 天線阻抗測試Fig.6 Antenna impedance test

(4)駐波比。駐波比需要在空曠的室外環(huán)境進行測試,需要保證天線周圍無遮擋物。通過使用駐波測試儀進行測試。

(5)標簽讀取距離。RFID 電子標簽的讀取距離可通過測試平臺進行測量,測量結(jié)果的對比可以部分反映標簽芯片與天線的匹配程度和封裝情況。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為技術(shù)革新的熱點,而RFID 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)的基礎(chǔ),也是當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的熱點和難點。相比于傳統(tǒng)的條形碼以及磁卡而言,RFID 標簽具有掃描速度快、安全性高、方便閱讀、重復(fù)性強、良好的環(huán)境適宜能力以及數(shù)據(jù)存儲量大的優(yōu)點,并且其壽命更長。

RFID 技術(shù)現(xiàn)已大量應(yīng)用于物流運輸、醫(yī)療、交通、零售等領(lǐng)域,由于其具有的出色性能,RFID 系統(tǒng)未來的應(yīng)用市場將極為廣闊。例如,RFID 技術(shù)獨特的無線識別性能使其十分適合應(yīng)用于科研領(lǐng)域內(nèi)的跟蹤類實驗研究。同時,RFID 系統(tǒng)在開發(fā)智能化的管理系統(tǒng)方面具有潛在優(yōu)勢,在大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用與自動化管理類工業(yè)領(lǐng)域中也具有十分良好的應(yīng)用前景。而在整個RFID 系統(tǒng)中,射頻標簽天線設(shè)計和研究的重要性不言而喻,天線設(shè)計的方法即借助計算機電磁仿真軟件進行標簽天線的設(shè)計與優(yōu)化。

為了滿足更多的市場需求,適應(yīng)于多種應(yīng)用環(huán)境,RFID 標簽天線需要滿足小型化、成本低、寬帶化等特性。研究者們常通過短路引腳加載、設(shè)計特殊形狀的補丁以及使用倒F 槽和曲流結(jié)構(gòu)等方法來實現(xiàn)標簽天線的小型化,并研制新型的性能優(yōu)越、成本更低的導(dǎo)電油墨或采用將天線直接附著于芯片的新型匹配方法來降低天線的制造成本。而標簽天線寬帶化還可通過微帶天線加載技術(shù)、降低質(zhì)量因素、采用多片結(jié)構(gòu)等方法實現(xiàn)。然而,天線的高性能與小尺寸總是難以兼得,大幅減小天線尺寸的同時會對其性能造成不利影響,而注重提高天線性能的同時又會使天線尺寸過于龐大。因此,天線的設(shè)計還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場合,選取適合的形狀設(shè)計,在小體積和優(yōu)良性能之間做好協(xié)調(diào)。RFID 標簽天線設(shè)計未來面臨的主要挑戰(zhàn)還是在天線小型化與降低成本的同時,實現(xiàn)標簽性能的穩(wěn)定與優(yōu)化。這些問題的解決會使RFID 系統(tǒng)能更好地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏悠毡榛Ｒ虼?標簽天線小型化、阻抗匹配和性能優(yōu)化將會是RFID 技術(shù)的后續(xù)研究重點。