RFID电子标签天线

RFID电子标签天线（精选7篇）

RFID电子标签天线 篇1

1 RFID技术原理及其分类

RFID系统的基本工作原理是:标签进入读写器发射射频场后, 将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯片的电源, 同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理, 需要回复的信息则从标签存储器发出, 经逻辑控制电路送回射频前端电路, 最后通过天线发回读写器。

天线处于RFID读写器系统的最前端, 是其重要组成部分。从RFID技术原理上看, RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能。按RFID标签芯片的供电方式来分, RFID标签天线可以分为有源天线和无源天线。从RFID系统工作频段来分, LF、HF段的电磁能量的传送是在感应场区域 (似稳场) 中完成, 也称为磁场感应耦合系统;UHF段的电磁能量的传送是在远场区域 (辐射场) 中完成, 也称为微波辐射系统。

由于两种系统的能量产生和传送方式不同, 对应的RFID标签天线及前端部分存在各自特殊性, 因此标签天线分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。感应耦合系统使用的是近场感应线圈天线, 由多匝电感线圈组成, 电感线圈和与其相并联的电容构成并联谐振回路以耦合最大的射频能量;微波辐射系统使用的远场辐射天线的种类主要是偶极子天线和缝隙天线, 远场辐射天线通常是谐振式的[2], 一般取半波长。

2 磁场耦合式天线概述及主要影响参数

磁场耦合式天线是低频和高频频段RFID应用中广泛采用的天线形式, 其基本形式是由线圈绕制而成。工业上存在多种制作方法, 或用金属线绕制, 或在介质板上印刷而成[4], 当交变电流在线圈中流动时, 就会在线圈周围产生很强的磁场, 磁场穿过线圈的横截面和线圈周围空间, 由于电磁波的波长比读写器和标签之间的距离大得多, 可以把读写器与传感器之间的电磁场简化为交变磁场来研究, 读写器就是通过磁场耦合的方式与标签通信的。下面结合磁场耦合式天线来分析在其设计过程中所要关注的几个参数。

2.1 线圈的电感L

天线线圈的电感L是设计主要关心的参数, 要想使天线获得较大的电流, 通常将天线线圈L、电容器C和电阻R串联在一起, 组成串联谐振电路, 因此在设计时必须确定线圈的电感值L, 然后根据谐振频率求得所要求的电容C, 计算公式如下:

标签和读写器双向通信使用的载波频率就是f。当要求标签天线线圈外形很小, 面积小, 且需一定的工作距离, RFID标签与读写器间的天线线圈互感量 (M) 就明显不能满足实际需求, 可以在标签天线线圈内部插入具有高导磁率 (μ) 的铁氧体材料, 以增大互感量, 从而补偿线圈横截面小的问题[5]。

2.2 线圈天线的Q值

工程上将的比值定义为谐振电路的品质因数Q (称Q值) , 即:

线圈天线的性能与线圈的Q值具有很大的关系, 一般来说, 线圈的Q值越高, 谐振电流就越大, 周围的场强也就越强, 由此改善标签的功率传输特性。另一方面, 线圈天线的带宽与品质因数成反比, 过高的品质因数会导致带宽缩小从而明显降低标签收到的调制边带。许多系统给出Q=10-30为最佳的品质因数值, 事实上品质因数取决于所需的带宽和调制的方法, 需要根据具体的应用以达到最佳的效果。

3 13.56MHz天线的研究

根据上面的对线圈天线的性能与Q值关系的分析, 下图给出了一款13.56MHz天线的品质因数与调制带宽关系的示意图。

近距离读写器天线多在PCB上腐蚀而成, 线圈天线一般由印刷线圈和匹配电路构成。线圈天线的原理图如下:

L为印刷线圈电感, 尺寸大约为50mm×60mm;VC1、VC2、C1、C2为匹配电容, 其作用是将天线的输入阻抗设计为50Ω, 其作用的输出阻抗相匹配。R1、R2为外加阻尼电阻, 与天线线圈的损耗电阻一起, 使天线电感线圈的Q值在要求范围内。元器件的值是在线圈电感L和Rs已测定的情况下计算出来的, 假定C1、VC1的并联值为C10;C2、VC2的并联值为C20;R1、R2的并联值为Ra;则有:

13.56MHz标签天线的实现技术现已成熟, 广泛地应用在身份识别、货物标签、电子门票等RFID系统中。在2005中国上海ATP网球大师赛中首次使用了RFID智能电子门票, 含有RFID标签的门票与RFID读写器天线就是通过工作在13.56MHz的空中接口协议建立通信应答。但就其应用现状来说, 该频段传输距离不够长而限制了阅读器和RFID标签间的传输距离, 这样在天线线圈的中间出现了阅读盲区, 即在天线的中央出现了磁通洞, 使得若干标签不能有效地被读取。对于此现象, 设计上采用多个覆盖较小区域的线圈的串并组合来构成一个覆盖较大区域的天线线圈, 采用这样的阅读器天线不仅可以使阅读器具有阅读较大平面区域标签的能力, 还使阅读器具有阅读立体空间标签的能力[3]。而跨越UHF频段的最大问题是绝大多数的RFID系统和标签供应商, 其设备无法支援UHF频段。因此, 各公司、自动识别中心与国际标准组织都正致力于制定射频识别标签的标准, 以求所有的标签能与任何读取机相容。

4 RFID标签天线的热点问题

在RFID标签天线的设计中, 除了一直很受重视的减小物理尺寸问题, 进一步改善小型化后的天线带宽和增益特性以扩展其实际应用范围, 分析小型化天线的交叉极化特性以明确其极化纯度也是重要的研究方向, 另外, 覆盖各种频率的复合天线设计, 多标签天线优化分布技术, 读写器智能波束扫描天线阵技术, 设计仿真软件和平台, 标签天线和附着介质匹配技术, 一致性抗干扰性和安全可靠性技术等都是值得继续研究的内容。其中, 片上天线技术是近期研究的热点问题。RFID技术应用领域的不断扩展, 使RFID标签对小型化、轻量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不断提高

摘要：本文从介绍RFID系统的基本原理开始, 分析了RFID标签天线对于整个RFID系统的重要性。结合13.56MHz的标签天线的使用现状, 着重分析了磁场耦合式天线的影响参数、结构和原理。最后探讨并分析了近期标签天线的设计热点。

关键词：RFID,标签,天线,读写器

参考文献

[1]金颖妮, 郑正奇等.RFID标签天线的研究现状和热点问题探讨.电信科学, 2008年第8期

[2]朱轶, 王刚等.13.56MHz RFID阅读器天线的设计.微波学报.2008年10月

[3]林启水.RFID标签天线的三种制作方法.印制电子.2010年

[4]宁焕生, 张彦.RFID与物联网.电子工业出版社.2008年4月

RFID电子标签天线 篇2

无线射频识别(RFID)技术已广泛应用于物品跟踪、交通管理及防伪防盗等众多领域[1,2]。RFID系统一般由电子标签、读写器和信息管理系统组成。常用的超高频无源电子标签可读写距离长、速度快且芯片密码唯一[3]。然而,较高的成本是当前阻碍电子标签应用于更多行业的主要原因之一,故针对有效降低其造价的研究显得尤为必要。

天线是电子标签的一个重要组成部分,其制造方法以蚀刻冲压工艺为主,即将铜箔、铝箔覆于绝缘基板上,再经印制蚀刻形成天线[4]。然而,该方法操作复杂、生产费时、成本也高,且会产生大量对环境有害的金属废料及排出物,这严重阻碍了UHF标签投入大规模的生产与应用。

本文介绍的低成本RFID标签天线基于导电油墨和纸质基板,不仅取代了传统的铜、铝等制造材料,还改用高工效、低成本,且绿色环保的印刷工艺,制成的天线符合工程应用要求,具有广大发展前景。全文将从该天线的材料性能、印刷工艺及测试方法三个方面展开论述,详细阐述其优越性。

1 材料性能

用于制造低成本RFID标签天线的导电油墨是一种特殊油墨,它由细微导电粒子或导电聚合物等材料组成,图1给出了其具体成分[5]。将导电油墨印刷于基材上干燥后,由于导电粒子间的距离变小,自由电子沿外加电场方向移动形成电流,从而使油墨担当天线的作用,能接收到RFID专用计算机发出的无线电信号。

导电油墨按材料性质可分为非金属导电油墨和金属导电油墨,如碳浆、银浆和纳米导电油墨[6,7]。用其制造RFID标签天线的优点在于:成本低、附着力强、电阻率低、固化温度低、导电性能稳定,且基材选择灵活多样等。

2 天线印刷工艺

用导电油墨制造RFID标签天线的工艺主要是在纸板、聚酯、聚苯乙烯等绝缘材料上直接印刷天线。与传统的铜丝绕制法、化学腐蚀法和电镀法相比,直接印刷法具有工效高、材料省,且无污染物排放的优势。在使用该方法时,需特别注意印刷的准确度、油墨厚度以及印刷的分辨率,下文给出标签天线的四种印刷方法,表1为它们的性能比较[8,9,10,11]。

2.1 丝网印刷

丝网印刷技术是利用感光材料以照相制版方式做印版,仅令图文部分的网孔为通孔[8]。印刷时,刮板的挤压使导电油墨通过图文部分的网孔转移到承印物上,形成天线图案,图2给出其工艺流程。丝网印刷可印制薄、厚墨层,且设备低廉、操作简单、环保无污染,但其分辨率较低。

2.2 凸版印刷

凸版印刷技术是用墨辊将导电油墨印刷到基材上,由于凸版上的图文部分远高于印版上的非图文部分,因此,墨辊上的油墨恰好能转移到印版的图文部分[9]。在印版装置和压印装置的共同作用下,印版图文部分的油墨则转移到承印物上,从而完成天线图案的印刷,图3给出其工艺流程。凸版印刷可用基材范围广,印制的墨层厚度取决于印刷的速度和压力,且分辨率有限。

2.3 凹版印刷

凹版印刷技术的印版着墨部分凹陷于版面之下,而无印纹部分则光泽平滑[10]。印刷时,需先把导电油墨滚在版面上,再将表面粘着的油墨擦去,最后把凹陷的印纹油墨压印在基材上,图4给出其工艺流程。凹版印刷效率高,分辨率较好,但印刷直线时容易产生微细的锯齿状。

2.4 喷墨印刷

喷墨印刷技术是将导电油墨直接喷在基材上,再经固化处理得到天线图案[11],图5给出其工艺流程。喷墨印刷对温度要求较高,可印出又薄又精确的墨层,这也同时对导电油墨的品质提出了较高要求,即导电粒子既要性能佳,还须小而均匀。

3 测试方法

评估RFID系统性能的主要指标有:读写距离、天线参数、应答时间等,天线相关参数又包括工作频率、Q值、方向等[12]。常用的测试方法有读卡器测试、网络分析仪测试及RFID标签专用仪测试等。

读卡器测试是使用符合标签芯片协议的读卡器判断标签是否可用,并能直接测出最大可读、可写距离。该法所用仪器成本较低、测试一步到位,但可测参数单一。

网络分析仪测试可测得标签天线的多个性能参数,如阻抗、驻波比、回波损耗和方向等。由于导电油墨天线往往无引线,故不宜用一般夹具,需选用高频探针进行接触式测量,或用环路线圈进行非接触式测量。

RFID标签专用测试仪是根据电子标签需测性能而专门设计的仪器,不仅支持各种RFID国际标准,还可直接测得更多重要参数,如应答时间、协议状态跳转等,但其测试对象固定,且成本较高。

4 结束语

本文介绍的超高频RFID标签天线基于导电油墨材料,其成本低廉、性能稳定且基材选择灵活多样。所采用的天线印刷工艺与传统制造方法相比,成本较低、操作简单、高效又环保。文中,比较了四种不同印刷方式对油墨性能的要求和印刷的效果,最后又比较了三种测试方法,均为工程运用提供了具体参考。这种低成本RFID标签天线将是未来发展的主流,具有广泛的应用前景。

摘要：介绍了一种基于导电油墨材料的超高频RFID标签天线，阐述了四种天线印刷工艺，并总结了三种测试方法。通过分析发现，这种导电油墨天线成本低、性能优，基材选择多样，且采用的印刷工艺效率高、无污染，将成为RFID标签天线的发展主流。

关键词：标签天线,印刷工艺,测试方法,导电油墨

参考文献

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[6]熊祥玉．电子网印技术中的银质、碳质导电油墨[J]．丝网印刷，2005．5

[7]牟发章．纳米导电油墨[J]．塑料，2007，36(5)

[8]J.Costenoble.Rotary Screen Printing: the Productive Solution for HF/UHF RFID Lables[J].SGIA Journal,2005:7-10

[9]C.Kathryn.Printability and Environmental Testing Using Silver-Based Conductive Flexographic Ink Printed on A Polyamide Substrate[OL] https://ritdml.rit.edu/dspace/bitstream/1850/4490/1/ KColeThesis05-2007.pdf,2007

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[11]U.Palin[P].A Method of Production of An Antenna Pattern.Sweden,W0/2008/048162.2008-04-24

一种新型RFID天线的仿真设计 篇3

RFID系统利用射频信号通过空间耦合进行双向信息传输,实现对待识别物体的自动识别和数据采集。在RFID系统中,标签天线的设计是关键技术之一。RFID标签天线的性能对整个系统的工作指标有关键性的影响。设计合适的标签天线,实现天线与标签芯片的阻抗匹配是设计的关键要点,也是难点所在。目前,有一些标签天线设计的报道,例如折叠型偶极天线、V型偶极天线、倒F型天线和分形天线等。这些天线的轮廓外形大都是半波振子的变形,长度大约为波长的一半,显得大了点,阻抗匹配不容易也不方便,它们的带宽狭窄,难于集成,因此不利于RFID技术的推广应用[1,2]。

低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)工艺以其优良的特性,成为了人们研究的重点,大量的无线射频应用被移植到LTCC工艺上去。LTCC材料具有介电常数高、损耗低、介质性能稳定等特性。基于LTCC制作的天线具有体积小、增益高、特性稳定等优良性能,它符合无线通信产品向轻、薄、短、小方向发展的趋势,而成为近年来研究的热点。多层陶瓷结构的设计已成为天线小型化的重要方法,其中使用共面波导方法(CPW)馈入以增加频宽的LTCC天线,或是在陶瓷结构中将辐射元曲折以增加电流路径的方式使天线达到小型化的方法,或使用过孔将各辐射金属连接的技术都在片上天线中获得很好的应用[3,4]。

本文给出了一种新型的RFID天线设计。该天线充分利用LTCC工艺的特性,结合曲折型天线及螺旋天线的结构形式,运用多层的结构把原先平面上的电路以空间的形式进行实现,从而使天线进一步小型化。设计的天线工作频率为2.45GHz,RFID标签的输入阻抗为50Ω。

天线基板的介电常数是影响天线工作频率的重要参数,由基板的空腔模型可以得知其共振频率为:

在谐振频率固定的情况下,使用越高介电常数的介质,所需的电感、电容量就越少,相应地,微带线尺寸就越小。LTCC天线采用高介电常数材料有利于天线的小型化,但太高的介电常数将容易激励起表面波,从而降低天线的效率,对天线的带宽、方向图等都有不利的影响,所以必须综合考虑。本文所设计天线采用LTCC基板材料为Ferro A6,其相对介电常数为5.7,tanδ=0.0012。天线设计图如图1所示,天线共分为三层陶瓷材料结构来设计,在上面两层基板上敷以金属铜当作天线辐射单元,其基本辐射单元为一0.508mm×3.12mm的细长矩形,辐射单元分布两层,两层间的各个辐射单元以0.2×0.2mm的小金属片作为过孔连接。采用这种布线方式一方面可阻隔各层金属线因紧密配置造成的耦合效应,一方面可以充分利用三维立体空间以缩小整个元件尺寸[5]。底层LTCC基板上制作接地金属面,覆盖辐射单元以下直至输入端的部分。

为了满足RFID系统对天线的体积和重量提出的苛刻要求,可以采用微带线馈电。微带线馈电时馈线与微带贴片共面,因而制作简单。

3. 仿真结果及分析

采用ADS Momentum对天线进行建模和仿真,得到S11回波损耗仿真结果如图2所示,从图2可以看出,天线谐振在2.45GHz附近,在2.45GHz频率下的输入阻抗为51.6+j0.75,反射系数:36.083d B,S11小于-10dB的带宽达90MHz,相对带宽3.639%,其带宽覆盖了RFID 2.45GHz频段工作频率。

当把天线基本辐射单元的长度分别改为2.95 mm、3.05mm、3.40mm时,得到了如图3所示的仿真结果,从图上可以看出当基本辐射单元的长度变长时谐振频率点下降,相反当辐射单元长度变短时谐振频率点上升,这与天线理论吻合。天线的远场方向图如图4所示,其三维场型接近椭球型,具有很好的全向性。

4. 介电常数对天线性能的影响

不同的介电常数的基底对天线的性能有较大的影响,在天线的尺寸不变的情况下,通过改变基底介电常数,我们做了一系列的仿真计算,其结果如表1所示。由式(1)可知要减小天线的尺寸可以通过增大基底的介电常数,当天线结构一定时,所选基底的介电常数增大,则天线的谐振频率降低。实验中通过选择不同介电常数的若干种材料进行仿真计算,得出表1所示的仿真结果,从表1可以看出随着介电常数的增大天线中心频率呈下降趋势,同时天线的带宽呈变窄趋势。

5. 结论

设计了一种应用于RFID的天线,通过LTCC技术实现其结构,达到了小型化的目的。天线体积仅为7.8×8.62×0.8mm3,覆盖了RFID所需的2.45GHz频段,仿真结果表明天线具有较好的回波损耗特性,天线的增益和方向性也符合RFID技术对天线的要求。本文还对天线长度及基底介质常数对天线性能的影响作了有益的讨论。

摘要：为满足RFID天线小型化要求,提出一种基于LTCC技术的新型天线。仿真结果表明天线具有良好的全向性和宽频带特性,在2.4～2.5GHz频段反射损耗小于-10dB。本文还研究了介质常数等参数对天线性能的影响。

关键词：射频识别,LTCC,标签天线,小型化

参考文献

[1]Rao KV S,Nikitin.A Review and A Practical Application[J].Antenna Design for UHF RF ID Tags,Dec,2005,53(12):3870～3875.

[2]Li Xiuping,Gao Jianjun,George Boeck.Printed dipole antenna design by artificial neural network modeling for RFID application[J].International Journal of RF and Microwave Computer Aided Engineering,2006,16(6):607～611.

[3]Albert Chee W.Lu,Kai M.Chua,and M.Sun.LTCC-based compact wideband antenna[J].Microwave Opt Technol.Lett,2005vol.47:608～609.

[4]D.S.Yim and S.O.Park.small internal ceramic chip antenna for IMT-2000handsets[J].ELECTRONICS LETTERS,2003Vol.39:47～51.

左手材料在RFID天线中的应用 篇4

左手材料 (left-handed meta-materials, LHMs) 是一种介电常数ε和磁导率μ为负的人工周期结构材料, 在其中传播电磁波的电场分量E、磁场分量H与波矢K满足左手定则;群速与相速相反, 从而呈现出许多反常的物理光学现象, 如负Snell效应[1,2], 负Dopple效应[3]、完美透镜效应[4]、负Cherenkov辐射等。左手材料以它独特的性质在高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等领域具有非常巨大的应用潜力。随着纳米技术的进展, 特别是2000年Smith教授等[5]从实验中成功制成第一个在RF波段介电常数和磁导率都为负的人工材料, 左手材料的应用已经逐渐被重视起来。

本文重点描述左手材料的负Snell效应, 并引进到RFID读写器天线的设计当中, 考虑应用到解决不停车收费ETC系统中相邻车道干扰问题和巡检机器人的大角度控制问题, 并进一步探讨左手材料替代天线阵、有源标签的可能性。

1左手材料的负Snell效应

电磁波在介质中的传播行为是由其介电常数ε和磁导率μ决定的。一束平面波在各向同性均与介质中传播, 其波矢κ和频率ω满足色散关系$\kappa {}^2=\frac{\omega {}^2}{c{}^2}n{}^2$, 其中$n{}^2=\epsilon \mu ,c{}^2=\frac{1}{\epsilon {}_0\mu {}_0}$ (n代表折射率, c是真空中光速) 。由Maxwell方程组的旋度方程和介质方程[3]:

$\begin{array}{l}\nabla \times E=-\frac{\partial B}{\partial t},\nabla \times {\rm H}=\frac{\partial D}{\partial t},\\ B=\mu \mu {}_0{\rm H},D=\epsilon \epsilon {}_{0}E(1)\end{array}$

对于单色平面波E和H的解都正比于$\text{e}{}^{\text{j}\left(\kappa \cdot r-\omega t\right)}$, 代入 (1) 式有

$\kappa \times E=\frac{\omega }{c}\mu {\rm H},\kappa \times {\rm H}=-\frac{\omega }{c}\epsilon E.(2)$

从 (2) 式可以看出在正常材料中, ε, μ都是正数, κ, E, H遵从右手定则, 而在左手材料时, ε、μ同时为负, 而κ指向$\left[-\left(E\times {\rm H}\right)\right]$方向。

人们熟知, 光线折射遵循折射定律, 即折射光线和入射光线分居法线两侧, 但是对于左手材料, 当光线从普通材料斜射到负折射系数材料上时, 折射光线却向着与入射光线同一边的方向偏折, 即出现了负折射角。

当电磁波从介质1射向介质2, 在界面处应满足Maxwell方程的边界条件:

$E{}_{t1}=E{}_{t2},{\rm H}{}_{t1}={\rm H}{}_{t2},\epsilon {}_{1}E{}_{n1}=\epsilon {}_{2}E{}_{n2},\mu {}_1{\rm H}{}_{n1}=\mu {}_2{\rm H}{}_{n2}。$

这里t代表平行于界面的分量, n代表界面法线分量。如图1所示。

(a) 从正常材料到左手材料能流的折射; (b) 从正常材料到左手材料时波矢的折射; (c) 从正常材料到正常材料的折射

从上可以看出, 当电磁波从普通介质射入左手材料时, 在界面上E和H的平行分量的方向还是一致的, 而垂直分量却反了过来。定义左手材料的折射率$n{}_2=-\sqrt{\epsilon {}_2\mu {}_2}$, θ2看成负角度, 也符合Snell效应。

2加载左手材料层提高读写器天线性能分析

给定一款RFID读写器贴片天线[6], 工作频率为2.585 GHz, 大小为36.8 mm×45.9 mm, 介质层介电常数为2.2, 厚2 mm。采用背馈电方式, 馈电点沿x轴方向距辐射元中心6.65 mm半径为1.2 mm的圆柱体。

加载两层左手材料, 其结构如图2所示:

应用HFSS10.0仿真, 普通材料、加载左手材料后得到的S11曲线如图3所示。

加载左手材料层, 坡印廷矢量分布如图4所示。

(a) 普通材料贴片天线; (b) 加载左手材料天线H面: (c) 普通材料贴片天线; (d) 加载左手材料天线

从上不难看出:

(1) 加载左手材料后, 谐振频率稍有偏移;

(2) 由图4, 加载左手材料后, 坡印廷矢量方向靠近z轴, 表明左手材料具有类似于透镜对光波的聚焦作用, 有效聚集电磁波传输方向, 从而有助于提高辐射效率, 改善方向系数。

下面利用该材料的负Snell效应解释该现象。

简化电磁波的传播如图5所示, 电磁波从自由空间入射到与左手材料的交界面, 折射波和入射波同位于法线一侧, 从而“成像”。是否成像及成像所在位置由左手材料平板模的厚度及材料的折射率有关。不妨假定折射率为n=-1, 假定辐射源S与平板模距离为d1, 平板模厚度为d2, 成像位置与平板模另一侧面距为d3, 则其成像原理如图5所示:

(1) d2<d1 (2) d1<d2<2d1 (3) d2>2d1

(1) 若d2<

d1, 图像焦点消失;

(2) 若d1<d2<

2d1, 存在图像焦点, 且d3< d1;

(3) 若d2>

2d1, 存在图像焦点, 且d3> d1。

而且, d2越大, 相应的成像点d3也就越大。

同样的道理, 如果是多层左手材料层, 辐射源与左手材料层的距离、材料层的厚度、材料层间距都对“成像”有影响, 从而对电磁波的辐射与传播有一定的影响。合适的位置和合适的层数使得电磁波能量的辐射沿着垂直材料层的方向, 能量更容易辐射出去。由于左手材料的聚集及“成像”作用, 如果不考虑插入损耗相当于拉近了电磁波发射和接收距离, 从而使得实际作用距离加大。

3左手材料在RFID天线中的应用前景分析

3.1不停车收费ETC系统中相邻车道干扰

ETC系统通过安装在车辆挡风玻璃上的电子标签与在收费站ETC车道上的天线之间的通讯, 天线架设在道路上方, 与栏杆有几十米的距离。多个车道的阅读器同时工作时, 就会出现相邻车道之间相互干扰的问题, 如车道1的阅读器读到了车道2的标签信息、标签同时接到两台阅读器的命令, 出现状态混淆, 不能被读出等。目前, ETC系统中相邻车道干扰问题多采用空分——微带天线阵方案。通过若干个天线单元组阵, 使得天线方向性增强、增益变高, 空分解决相邻车道干扰问题可以通过使用波瓣宽度很窄的阅读器天线来实现。这种方案无疑会加大空间面积, 增大设计难度。

左手材料的出现可以使得读写器设计的思路更加清晰, 设计难度也就相应降低。窄主瓣宽度在增大方向性的同时, 增益增大, 辐射功率的集中使得左手材料的优势得以体现。

同时需要调整的物理量[6]有:

(1) 贴片尺寸, 由于左手材料层的增加使得谐振频率点有所偏移, 回波损耗有所增加, 可以调整贴片的尺寸有效的弥补;

(2) 左手材料层大小, 理论上左手材料层越大, 则电磁波泄露越少, 相应辐射效率较高, 但是受区域面积限制。

(3) 左手材料层数, 理论上层数越多, 则主波瓣越窄, 辐射能量越大, 但是与此同时, 副波瓣辐射能量增加, 造成方向系数的损失和辐射能量的分流, 故对此要做权衡考虑。

3.2巡检机器人大角度扫描

基于RFID技术的巡检机器人系统, 要求在如±40°较大范围内高速扫描, 目前现有技术也可控制天线灵敏度, 但是要使用多个天线器件, 并运用复杂的控制才能实现更大的角度, 这样成本较高, 且天线体积也比较大。可以考虑使用左手材料, 在介质板上排列多个铜图形单元, 同时在单元和单元之间放入液晶, 而液晶的介电常数由外接电压控制。液晶材料的介电常数变化的同时, 一定频率下的整个天线的介电常数、磁导率随之发生变化, 天线的折射率有可能慢慢转向负。天线的折射率在正负值之间变化, 从而改变电子束的方向。天线的折射率为正时, 呈现右手性, 为负时呈现左手性。那么天线泄露的电磁波的方向就会发生很大的变化。

其原理如图6所示。

在加工精度充分满足, 左手材料的插入损耗可显著降低, 在大幅提高天线的性能的同时, 又降低了成本, 具有非常巨大的应用价值。

3.3有源标签

开发有源标签的目的大多情况考虑的是读写距离的增大, 由于左手材料的开发, 使得天线的方向性增强, 主瓣方向辐射功率增大, 从而使得工作距离加大。从某种程度上来说, 左手材料的出现使得无源标签的有效距离加大, 在某些读取距离要求不是很高的情况下, 有可能替代有源标签而降低开发成本。

4结论

本文考虑在RFID天线中添加左手材料层, 从负Snell折射效应角度解释方向性增强特性, 只要改善器件加工精度, 降低插入损耗, 则该材料可以起到天线阵作用, 改善天线性能又能降低成本, 具有巨大的应用价值。

参考文献

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RFID电子标签天线 篇5

对于读写器天线阻抗的匹配, 研究已经转向自动匹配方面, 并有了比较成功的案例。一般来说, 阻抗失配信息通过检测反射系数、电压驻波比或节点阻抗来获取[8,9]。本文通过切换电容网络、扫描解调点电压来获取天线发射最大幅度, 获取最佳匹配电容和实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。

1 自适应天线匹配低频RFID读写器架构

完整的低频RFID系统包括电子标签、读写器以及远端数据处理计算机三部分[10], 其工作原理如图1所示。电子标签也就是RFID射频卡, 具有智能读写及加密通信的能力。电子标签包含天线、匹配网络、充电模块、传输算法模块、存储模块等。低频读写器由天线、无线匹配模块、读写器芯片和微处理器组成, 通过调制的射频信号向标签发出请求信号, 标签回答识别信息, 然后读写器把信号送到计算机或者其他数据处理设备。

自适应天线匹配低频RFID读写器系统在基本的低频RFID读写器系统的基础上进行了功能扩展, 该系统主要由微处理器模块、功率放大、自适应电容匹配网络、低噪声放大、正弦波均方根检测、模数转换器、天线以及相应的处理程序和算法组成, 如图2所示。该系统比基本的低频RFID读写器系统多了3个模块:自适应电容匹配网络、正弦波均方根检测和模/数转换器。其中正弦波均方根检测和模/数转换器是为了检测天线发射信号的幅度, 并转换成数字量存储到微处理器;自适应电容匹配网络是用来调节射频前端电路阻抗与天线阻抗的匹配效率。

2 解调点电压采集

解调点电压采集电路的主要任务是实现天线发射信号的正弦波均方根检测和模/数转换, 在电路设计上充分运用高度集成专用集成电路, 仅需要较少的电阻、电容等外围器件就可以完成相应功能, 使采集电路小型化并尽量降低电路的功耗。完整的采集电路如图3所示。

AD736是一款低功耗、精密、单芯片真正弦波均方根检测电路。能够直接将正弦波转换为直流输出, 直流电压就是该正弦波的均方根值Vrms, 该正弦波的幅度Va可以由式 (1) 表示:

该芯片采用正弦波输入时最大误差为±0.3 m V。另外, 它能以高精度测量广泛的输入波形, 包括可变占空比脉冲和三端双向可控硅 (相位) 控制的正弦波。因此当天线上发射信号存在畸变, 变成三角波等含有高次谐波的信号时, 一样可以检测出其幅度。该芯片可以计算交流和直流输入电压的均方根值, 因此当检测信号存在直流分量时, 该芯片也可以检测出相应的幅度。此外在设计时, 增加了一个外部电容, 它作为交流耦合器件工作。这种模式下, 即使存在温度或电源电压波动, AD736也能分辨均方根值100μV或更低的输入信号电平。对于波峰因数为1~3的输入波形, 也同样能保持高精度。

模/数转换电路采用ADS1113, 该芯片具有16位分辨率的高精度模/数转换器 (ADC) , 采用超小型的MSOP-10封装。ADS1113在设计时考虑到了精度、功耗和实现的简易性。ADS1113具有一个板上基准和振荡器。数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输。

3 自适应匹配电容网络

天线匹配电路如图4所示, 通过计算阻抗匹配计算相应的电阻和电容值, 可以实现长距离的天线匹配和各类天线布局要求。将图5中电容矩阵代替图4中C4、C5构成可调节天线匹配网络。由于天线电感值的变化在一定的范围, 不可能从0到无限大, 因此可以根据实验初步确定最大电感为Lmax, 由此可以在电容矩阵连接一个不需要断开的电容C_M, 其他的电容可以通过微处理器输出控制信号D1、D2…D8控制MOS开关来确定是否连接该电容到天线匹配网络。MOS开关比普通的继电器开关体积小、成本低。但是在开关断开期间, 开关引脚之间、信号引脚与地之间都存在一定的寄生电容。这些寄生电容使得电容矩阵的调节范围产生变化, 因此在设计电容矩阵式时需要将这些寄生电容也考虑进去。电容矩阵中每个电容值的确定可以采用二进制累进方法, 即C_D1的容值为C, C_D1的容值为2C, C_D3的容值为4C, 以此类推, C_D8为128C, 总共可以构成256种可配置的电容值组合。在实际工作中通过扫描所有的256种组合, 选择其中最佳的组合作为匹配网络, 以达到最佳发射效率。

4 自适应匹配方法与软件设计

自适应天线匹配低频RFID读写器系统软件设计的流程图如图6所示。为了保证正弦波均方根检测电路和后续的模拟/数字转换器电路有足够的稳定和转换时间, 确保采集的天线发射信号的幅度准确稳定, 在读取过程中需要加入多个延时。程序中需要设置专门寄存数组用于存储读采集的256组发射信号幅度, 在读取完成全部256组数据以后, 再将256组数遍历一遍, 找出其中最大的一组。根据最大的一组所对应的位置, 设置相应的电容矩阵, 获取最佳匹配电容和实现射频前端电路阻抗与天线阻抗的自动匹配。通过使用微处理器MSP430提供的在线可编程功能, 直接通过USB-JTAG转接模块, 在计算机上调试仿真并下载微处理器。本系统采用高级语言C51编程, 程序的可读性和可移植性较好, 并兼顾程序的编译效率。此外, 还可以通过笔记本计算机直接在现场修改程序, 对功能和参数进行现场调整, 这种方式给工业仪器仪表中参数修正和软件升级带来了极大方便。

5 实验分析

实验分析分为两部分。第一部分实验:选取10种天线, 这10种天线的电感依次为300μH、400μH、…1 200μH。依次连接在自适应天线匹配低频RFID读写器系统上, 启动自适应程序, 系统成功配置电容网络, 配置的电容网络等效电容值和谐振频率如表1所示。从表1可以看出, 自适应匹配后的网络的谐振频率基本都在134 k Hz左右 (偏差不超过0.5%) , 即低频RFID系统工作的频率, 也就获得到最大的发射功率。

第二部分实验:将完整的自适应天线匹配低频RFID读写器和普通的低频RFID读写器分别放置在水中, 此时读写器的天线电感将发生变化, 普通的低频RFID读写器的读写距离明显减少, 而自适应天线匹配低频RFID读写器的读写距离仍可以保持原来的水平。

本文设计了一种自适应天线匹配低频RFID读写器, 该读写器集成了发射幅度检测电路和匹配电容矩阵以及相应的扫描和设置软件。通过实验测试, 该系统运行良好, 大体实现了不同电感天线的发射匹配要求, 比普通读写器更能适应水中工作。该设计方法还有进一步的改进空间, 例如根据更多环境下的实验了解天线电感变化的范围, 优化电容矩阵结构, 提高匹配效率。该技术还可以移植到高频和超高频RFID系统中。

参考文献

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RFID电子标签天线 篇6

RFID(无线射频识别,Radio Frequency Identification) 最早应用于第二次世界大战时英国空军战斗机的敌我飞机识别系统中。近年来,低频率和高频率RFID射频识别技术商业应用广泛,超高频(840MHz~960MHz)RFID射频识别技术由于射频距离大、准确率高,得到广泛应用[1]。

1RFID无线识别技术及工作原理

RFID硬件系统主要包含RFID电子标签、阅读器和天线3个部分。本文RFID的实际项目中,RFID电子标签粘贴在被识别服装布料上,当带有RFID电子标签的被识别布料进入可识离范围时,阅读器智能读取RFID电子标签中的信息,完成无线识别。

阅读器由阅读器和天线两部分组成。阅读系统将两者集成在一个设备单元模块中。阅读器通过阅读器天线发送指令给RFID电子标签,并接收RFID电子标签反馈的信息。完成处理信号后,读取RFID电子标签信息,数据通过互联网和数据管理系统连接。数据管理系统主要用于数据存储与管理。

RFID的工作原理为:读写器通过天线发送一定频率的射频信号,RFID电子标签进入磁场,产生感应电流从而获得能量,再向读写器发送吱声编码信息,读写器采集信息后解码,将信息送到计算机进行处理。RFID射频识工作过程如图1所示。

2RFID重要性能指标

2.1辐射场振幅与方向的关系

实际辐射具有方向性的,天线也不例外。可用曲线图表示出辐射振幅与方向的关系,即通常意义上的振幅方向图,是空间中某点的场 强与同方 向最大场 强的关系 曲线图。通常情况下,如特殊标注,振幅方向图均作归一化处理。归一化后的振幅方向图是指某一方向上的场强与相同距离的最大场之比的关系曲线方向图。

2.2方向性系数

特定方向天线的方向性系数是在特定接收地点产生相同电场强度下,定向与非定向天线辐射功率之比。不同方向点上定向天线的辐射强度不等,RFID天线的方向性系数定向天线随着实验地点的位置变化而变化。如果某点具有电场最大辐射强度,那么该点的方向系数最大。如果实验中没有特定 说明,通常以最 大方向系 数点为标 准点。

2.3天线阻抗特性

通常将天线馈电点处输入电压与电流的比值称为天线输入阻抗。一般情况下,实验中天线与馈线连接的最佳的情形是天线输入阻抗与馈线阻抗处在同等条件下。此时馈线不存在反射功率,也不存在驻波,天线输入阻抗变化比较平稳。通常在RFID天线设计中选取的天线阻抗为50Ω 或者75Ω,方便与馈线配对。

2.4天线效率

天线效率是衡量计 算天线能 量转化有 效性的指 标。 通常效率高的天线可以将天线辐射绝大部分转化成天线能量。天线效率一般情况下小于1,表明天线的输入功率一部分要转发为辐射功率,一部分为消耗功率。

2.5天线频带宽度

RFID天线的频宽,即RFID天线的频带宽度,衡量指标包括增益、主瓣宽度、输入阻抗等。本文实验表明,天线各种电性指标随天线频率变化而变化,天线带宽取决于各电指标的频率变化。实验中通常主要考察天线阻抗特性。

3标签读写距离影响因素

3.1标签读写范围计算

对于RFID系统而言,读写距离 是最重要 的评价指 标,因其应用频段的特殊性,在无源条件下,读写范围可以达到3m~10m,对无源RFID硬件系统而言,RFID标签天线的读写距离计算公式为:

其中,Pt是读写器的发射功率,Gt是阅读器天线的增益[2],Gr为RFID标签天线的增量,t为传输功率系数,Pth是标签芯片启动时的门限功率。不难看出,对于标签天线而言,对其读写范围影响最大的参数是天线增量。

3.2表面大小对天线读写距离的影响

在天线电特性参数中要考虑接地面大小对天线增益的实际影响。表1列出了RFID电子标签处在不同表面积天线上的实际增益情况[4]。

3.3介质厚度对RFID天线带宽的影响

天线频带宽度越 窄,天线工作 效率越低。实验中发 现,调节介质层的厚度可明显改变天线带宽,当介质层厚度减小时,天线带宽变窄,从而使得天线工作效率下降。 但增加标签天线的厚度,天线体积也会随之增大,使得天线窄剖面性受到 影响。本文项目 实验中,当介质厚 度为5mm时,天线反射 系数为 -10dB,带宽为910MHz~ 940MHz时,天线频带特性最为理想。

天线带宽限制性因素主要有:1方向图带宽。如出现实际频率与设计不符时,可能会造成主瓣指向的偏移,甚至造成主瓣分裂、副瓣电平 增大或前 后辐射比 降低等问 题。如果方向图准确性不能满足实验要求,必须限定方向图的带宽。一般情况下,频段高的方向图变化迅速,可限制方向图的带宽;2阻抗带宽。通常将天线馈电点处输入电压与电流的比值称为天线输入阻抗[1]。馈线驻波比是衡量RFID天线阻抗带宽的重要指标。一般可将天线驻波比小于特定值时的频带宽度作为天线的阻抗带宽。3增益带宽。增益下降到允许值时的频带宽度称为增益带宽。天线尺寸变小,增益下降,所以实验中通常限定天线最低工作频率。

3.4外围封装材料对天线的影响

本文使用两种不同介质测试外围封装材料对天线的影响。用面积大小为400mm×400mm的金属反射时,天线增益为2.26dBi,同时其在垂直天线辐射面上增益最为明显。而改为同面 积的泡沫 介质后,天线最大 增益为3.94dBi,天线最大增益方向偏离垂直天线辐射面45°。

3.5贴片结构改变对天线的影响

电磁耦合多贴片是在一个或几个平面内使用多个贴片,利用贴片之间的寄生耦合,改变其等效谐振回路,让天线在相对宽频段中完成匹配[3],从而对微带天线的带宽完成扩展。其方法原理简单易懂,设计制作较容易,但由于天线是多贴片形式,该方式所占用的物理空间较大。

在贴片或接地板上开槽也是拓展宽天线带宽的常用方法。在天线不同部位开不同形状的槽,使天线馈电处形成多级等效谐振电路,从而实现频带展宽控制。

4结语

近年来,随着无线射 频识别技 术应用领 域的不断 扩大,超高频RFID系统的天线技术备受关注。天线技术是RFID硬件系统的重要技术之一,对射频识别技术的发展和实际应用具有重要意义。

参考文献

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RFID电子标签天线 篇7

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是从20世纪80年代兴起并逐渐走向成熟的一项跨学科的综合应用技术。射频识别是利用无线电波对记录媒体进行无接触读写,射频识别的距离由几厘米至几十米,且根据读、写的要求,可输入数千字节的信息,同时还具有极高的保密性。该系统广泛应用于交通管理中的自动收费和车辆自动识别、门禁控制、物流跟踪识别、各种消费卡及智能身份证等领域。

无源射频识别系统一般由应答器(智能卡或电子标签)、读写器(基站)以及数据交换、管理应用系统等组成。射频识别系统的数据存储在应答器中,其能量供应以及与阅读器之间的数据交换是由各自天线通过电磁波的无线传输实现的。读写器的天线在标签供电和信息传输中起着关键作用,因此研究天线设计有着重要意义。射频识别系统种类繁多,按工作频率分为中低频、高频、甚高频和微波等波段,绝大多数的射频识别系统依据电感耦合原理进行工作。本文主要讨论工作在高频段、典型值如13.56 MHz无源射频识别系统读写器天线的设计方案。

1 RFID系统天线模型及参数计算

在高频段,由于工作电磁波的波长远大于识别距离,读写器和应答器之间可等效为变压器耦合方式,与读写器相连接的天线相当于变压器模型中的初级线圈,标签上的天线相当于次级线圈。应用于该波段的天线以小型环形天线为最佳选择。小型环形天线是指天线的周长小于波长的四分之一。大型环形天线因为尺寸比较大,所以电流在圆环上的分布变化较大,而小型环形天线电流的分布基本是一致的。

为了推导在次级线圈感应的能量,须先给出环形天线在近场下的磁场公式。可采用毕奥—沙伐定律得出近似的小型环形天线的磁场公式。毕奥—沙伐定律直接将产生的磁感应强度B和电流I的分布相联系。如图1为小型环形天线的磁场分布示意图。

假定有均匀电流流过单匝的线圈,由毕奥—沙伐定律:

$d\overrightarrow{B}=\frac{\mu {}_0}{4\text{π}}\frac{{\rm I}d\overrightarrow{l}\times \overrightarrow{r}}{r{}^3}$。 (1)

各电流元的磁场方向不同,可分解为d$\overrightarrow{B}$垂直和d$\overrightarrow{B}$平行,由于圆电流具有对称性,其电流元的d$\overrightarrow{B}$垂直逐对抵消,所以P点磁感应强度的大小为:

$B={\displaystyle {\int }_{L}d}B{}_{\text{平}\text{行}}=\frac{\mu {}_0}{4\text{π}}{\displaystyle {\int }_L\frac{{\rm I}dl}{r{}^2}}\sin \theta =\frac{\mu {}_0{\rm I}\sin \theta }{4\text{π}r{}^2}2\text{π}R$。 (2)

式中,μ0=4π×10-7 H/m。

当空间点到天线的距离和天线半径接近时,$r=(R{}^2+x{}^2){}^{1/2},\sin \theta =\frac{R}{r}=\frac{R}{(R{}^2+x{}^2){}^{1/2}}$。

对于N匝线圈来说,可计算出沿线圈轴(X轴)方向某点的磁场强度为:

$B=\frac{{\rm N}\mu {}_0{\rm I}R{}^2}{2(R{}^2+x{}^2){}^{3/2}}$。 (3)

式(3)是基于近场下小环形天线的磁场公式,给出了在一定距离上的最大能量,从而也提供了最大响应距离。

对于给定的变压器模型,当磁场稳定不变时,通过一定面积S2的互感磁通量为:

ϕ12=∮2B1dS2=μH1S2cosψ。 (4)

式中,ψ为磁力线和表面法线的夹角。互感L12可用互感磁通量来表示:L12=N2ϕ12/I1。在线圈2上产生的互感电压为:

$V{}_{1\to 2}=-{\rm N}{}_2\frac{\text{d}\text{ϕ}{}_{12}}{\text{d}t}=j\omega {\rm N}{}_2\text{ϕ}{}_{12}$。 (5)

由楞次定律,在次级线圈上将感应出一个电流I2来阻止磁通量的变化,线圈2上产生的自感电压为:

$V{}_{2\to 2}=-L{}_2\frac{\text{d}{\rm I}{}_2}{\text{d}t}=j\omega L{}_2{\rm I}{}_2$。 (6)

读写器天线属于单圈发射小型环形天线,自感可近似表示为:

$L=\mu {}_{0}R\left[\text{Ι}\text{n}\left(\frac{8R}{a}\right)-2\right]$。 (7)

式中,R为线圈半径;a为导线的半径,且a<<R。

天线的效率取决于辐射电阻和损耗电阻。一般来说,单圈小环天线的损耗电阻比其辐射电阻大得多,因此,辐射效率低,且与损耗电阻有关。通常为提高效率而使用多圈圆环天线。射频标签天线属于多圈接收小环天线,其自感为:

$L{}_2=\mu R{\rm N}{}^2\left[\text{Ι}\text{n}\left(\frac{8R}{a}\right)-1.75\right]$。 (8)

次级线圈天线自身欧姆电阻产生一个附加的压降VRL2=I2RL2,另外,N匝小型环形天线自身损耗电阻为:

$R{}_{L2}=\frac{{\rm N}R}{a}R{}_{\text{s}}\left(\frac{R{}_p}{R{}_0}-1\right)$。 (9)

式中,$R{}_{\text{s}}=\sqrt{\frac{\omega \mu {}_0}{2\sigma }}$为导体的表面电阻;Rp为由邻近效应产生的欧姆电阻;$R{}_0=\frac{{\rm N}R{}_{\text{s}}}{2\text{π}b}$为单位长度肌肤效应电阻;σ为导线导电率;μ0=4π×10-7 H/m;R为天线半径;a为导线的半径。

将互感产生电压减去自身电感产生电压和自身欧姆电阻产生的压降,就得出了次级线圈两端的电压值,即V2=V1→2-V2→2-VRL2,将V1→2、V2→1、VRL2代入得:

V2=jωN2μ0H1S2cosψ-I2(jωL2+RL2)。 (10)

相同的关系式由次级线圈在初级线圈产生的电压表达式为:

V1=jωN1μ0H2S1cosψ-I1(jωL1+RL1)。 (11)

由式(10)可以看出,标签天线两端的电压由读写器天线发射的磁场、射频标签天线自身参数和射频标签内部电路消耗的电流共同决定。当读写器天线发射功率一定时,某点的磁场强度就决定于该点与读写器天线的距离,为了获得较大的能量,射频标签越靠近读卡器天线效果就越好;而在特定的距离,要获得尽可能大的能量供应射频标签内部电路工作,标签天线的设计应该尽量减小天线自身欧姆电阻VRL2。另外射频标签为了获得较远的工作距离,标签内部电路应该尽量降低消耗电流I2,所以要求设计低功耗电路以实现较远的工作距离。

2 天线的设计

2.1 读写距离

对于单个500 mm×500 mm的天线,当输出功率为800 mW的时候,读卡距离可以达到500 mm。而对于利用双天线的读卡器,其读卡距离可以覆盖大约1 m的范围。一般情况下,输出功率和天线外形尺寸均影响着读卡距离的远近。在设计读写器时,为了达到较远的读写距离,尽量提高读写器的输出功率和天线的尺寸。另外,对标签进行写操作的有效距离一般为读操作有效距离的70%左右。

2.2 电子标签的方向性

由于无源电子标签是通过和读卡器天线通过磁场耦合来获得能量,所以标签的方向性直接影响到耦合系数,进而影响到能量的获取和通信的可靠性。

当标签的方向性达到最优,即和读卡器天线处于最佳耦合时,磁力线与电子标签成直角,电子标签面对天线,能获得最好的读写效果。但是,如果将电子标签移动到天线的两侧,这时标签的放置位置和磁力线的方向平行,即此时的方向性最差,读写效果也最差。

2.3 天线尺寸

场强是表征读写器输出功率的一个重要因素。ISO/IEC15693协议中规定,为了实现对标签的正常操作所必须的场强为100 mA/m。不同尺寸的天线,其磁场强度不同。实验表明,小型天线附近的磁场强度要大于大型天线附近的场强,而当距离天线逐渐远的时候,小型天线的场强就会比大型天线降得更快。当天线距离大于1 m时,场强将会很小。

2.4 天线的品质因数

天线的性能与天线的品质因数密切相关。通常对于尺寸一定的天线,Q值越高,输出的功率就越大。但是过高的Q值又与读写器的带宽相冲突。所以,为读写器天线选择合适的品质因数很重要,Q值既不能过大使信号带宽过窄少,也不宜太小影响标签的能量供应。

根据数据传输速率和所使用的编码、调制方式,可计算出所需要的大致带宽BBW。国际标准ISO14443规定的近耦合IC卡系统使用ASK调制方式,由经验法则可用以计算ASK调制系统的带宽为:

BBW×T=1。 (12)

式中,T为载波系统在调制时的接通时间。

在ISO/IEC 15693协议中规定的2种副载波频率均在400 kHz左右,所以要求天线带宽必须大于1 MHz。在图2中标出了天线品质因数和3 dB带宽的关系,而且指出了2个副载波频率点,实线频率为484.29 kHz,虚线频率为424.75 kHz。可以看出,当天线负载为50 Ω时(即读写器输出阻抗),Q值应当选为30或更低。

天线初步设计完成后,可以通过使用频谱分析仪测量天线品质因数得到天线的带宽。如果天线带宽不符合要求,需要通过加并联电阻的办法进行调整,电阻值为:

$R=\frac{1}{\frac{1}{R{}_{\text{p}\text{a}\text{r}}}-\frac{1}{R{}_{\text{a}\text{n}\text{t}\text{e}\text{n}\text{n}\text{a}}}}$。 (13)

式中,设天线的谐振电阻为Rpar,理想的品质因数为Qrequired,Rpar=2πfLQrequired;利用频谱分析仪实测的天线品质因数为Qantenna,响应天线的阻抗为Rantenna=2πfLQantenna。

2.5 天线匹配网络设计

在天线的设计过程中,必须使天线的输入阻抗和同轴电缆的阻抗(50 Ω)相匹配,所以在天线设计完成后,需要使用匹配网络进行阻抗匹配。常用的匹配网络有变压器匹配网络和Gamma匹配网络和电容匹配网络。 图3所示电路为常用的天线电容匹配网路示意图。图中将电缆线的标准阻抗RL通过2个串联的电容C1和C2,与天线等效电感L进行匹配。

回路谐振角频率为:

$\omega {}_0=\frac{1}{\sqrt{LC}}=\frac{1}{\sqrt{L\frac{C{}_{1}C{}_2}{C{}_1+C{}_2}}}$。 (14)

2.6 环境对天线性能的影响

读写器和标签所使用的工作频率受限于政府无线电波管理的相关规定,以避免与其他系统的相互干扰;读写器天线所处的周围环境如有电噪声,通常会影响读写器接收性能并减小读写器的读写距离,对读写器天线的朝向稍做改动,或外加接地和屏蔽可以减小其影响;电感耦合式射频识别系统的读写器天线附近的金属会给天线性能带来负而影响,磁场不能穿透金属或其他导磁材料,金属物的出现会改变读写器天线附近磁力线的形状,导致金属表面磁通量衰减,读写器天线发出的能量被金属吸收,读写距离减小,所以金属物体要尽量远离读写器天线至少在工作距离之外;临近其他天线的存在,由于相互电磁感应的原因,将对彼此的性能产生负面影响。

3 结束语

无源射频识别系统一般工作在低辐射功率条件下,因此天线性能的优劣直接关系到系统工作性能参数能否达到预期目标的要求,受到系统低成本、易推广等固有属性的制约,如何用尽可能少的开销实现天线与系统性能的良好匹配,始终是系统设计人员的不懈追求。工作在不同频段的RFID系统,由于应用条件的差异,其天线的等效模型和设计方法不尽相同。本文提出的高频读写器天线的设计方法,兼顾了其理论要求和实际环境,具有一定的实践指导意义。

摘要：基于无源电感耦合RFID系统的工作模式,推导出高频段读写器近场小环形天线的磁感应强度和天线端电压的算法,提出一种天线的设计方法,并对其主要参数的选定、工作性能受工作环境的影响等问题进行了分析。工作在不同频段的RFID系统,由于工作条件的差异,其天线的等效模型和设计方法不尽相同。所提出的高频读写器天线的设计方法简便、有效,适于读些距离小于1m的应用环境,可作为工程设计的参考依据。

关键词：射频识别,读写器,小环形天线

参考文献

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