RFID系统天线设计

RFID系统天线设计（共7篇）

RFID系统天线设计 篇1

随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大,无线射频识别(RFID)产品的成本将不断地降低,其应用将越来越广泛。由于天线的小型化,天线的孔径变小,RFID阅读系统覆盖的范围也随之变小。为了增大阅读器系统信号的辐射范围,可以在阅读区域部署更多的阅读器和标签,增大信号的覆盖密度,或者使用高功率的阅读器,使得标签天线收到的信号更强。但这两种方法增加了整个系统的成本和功耗,而且发射功率过高对人体造成辐射伤害。

为了克服无源RFID系统的工作辐射范围比较小的问题,参考文献[1]提到,通过提高阅读器的灵敏度,使阅读器的收发模块能接收到更加微弱的标签信号,或者通过减少标签的功耗、减低标签电路的触发电压等措施扩大RFID系统的阅读范围,或者增大阅读器天线的增益来增加阅读距离[2]。但是增益增大时会引起波束立体角的变小,提高阅读器的灵敏度需要对芯片进行重新设计。参考文献[3]中采用高精度的直接数字式频率综合器(DDS)和可变增益RF功率放大器实现了电子波束扫描。但是,DDS的引入增加了阅读器系统的功耗。参考文献[4]提出了用相控阵天线技术来扩大RFID阅读器的阅读范围,但只是采用了与阅读器分离的控制信号来进行相控阵天线的波束形成控制,波束形成并未与阅读器有机地配合。鉴于此,笔者对现有的R1000阅读器开发平台进行改造,相控阵天线的波束形成控制信号取自阅读器,这样使控制信号与天线有机地结合,可以实现智能天线的概念,设计了读写器系统的组成和软件工作流程,并实际制作了相控天线阵列。天线阵列由2×2个微带天线单元、3个功率分配器和1个移相器组成。实际系统工作可以实现RFID系统信号覆盖范围的增大。

1 阅读器的改进

本文结合相控阵天线能实现电子扫描的特点,提出了RFID系统的改进方案,通过阅读器信号的控制,配合移相技术实现天线扫描的多状态,发射信号通过移相器使得天线的方向角发生改变,从而产生多个方向的辐射波束,增大了整个系统的阅读空间。图1为本文提出的相控阵RFID系统示意图。

本文提出的相控阵RFID系统设计使用了Intel誖R1000超高频阅读器开发平台。Intel誖R1000射频开发平台是英特尔公司开发的一款可以演示、开发、高性能、低功耗、高数据传输率的集成超高频射频阅读器的开发平台环境。Intel誖R1000开发平台可以被配置成接收天线(RX)和发送天线(TX)共用或者接收天线与发射天线分开单独使用的状态[5]。考虑到系统设计的可行性与成本,本系统采用接收和发送天线公用模式。天线阵列中移相器的开关控制信号可以从阅读器开发平台MCU芯片引出,只需对原有的阅读器平台稍加改造,引出控制信号即可,无需对阅读器芯片进行复杂的改造,容易实现。Intel誖R1000开发平台控制信号的部分连接电路如图2所示。控制电路需要的信号从阅读器平台的微处理器AT91SAM7S256-AU-001芯片管脚PA0引出,外接反相器,通过软件对阅读器开发平台的API函数的调用,实现对MA-COM生产的开关芯片MASWSS0204的控制,从而实现波束扫描,扩大阅读系统信号的覆盖范围。

安装阅读器驱动程序后,使用Intel提供的API函数就能实现对阅读器的自动控制,实现天线阵列的电扫描,流程如下:

(1)初始化阅读器,配置相关参数;

(2)设置天线扫描模式(两个不同的波束方向);

(3)打开天线读写端口,执行读标签操作;

(4)重复第(2)步,直到读写结束。

2 相控阵天线的设计

无源RFID系统的有效作用距离与标签天线接收到的功率有关,无源标签天线只有接收到足够的电磁波能量才能启动标签电路。从弗里斯传输公式(1)得知,天线的接收功率与发射功率、两天线间的距离和天线的有效口径有关[6]。

其中,Pr为接收天线的接收功率,Pt为发射天线的发射功率,Gt为发射天线的增益,Gr为接收天线的增益,R为两天线间的距离。天线的增益G与有效口径面积Ae的关系为:

而天线口径面积Ae与波束立体角ΩA有如下关系:

在一定的频率下,天线口径与波束范围成反比关系。在标签天线接收到的功率不变的情况下,要增加作用距离R,必须增大发射天线的功率或者增大天线的增益。天线增益的增大可以增强天线的方向性,但波束范围却变小了,不利于RFID系统操作范围的扩大。

2.1 相控阵系统的波束控制原理

在相控阵系统中,阵列天线的波束指向由波束控制系统来执行,它主要通过对阵面各单元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。其中各单元相位变化对确定的阵列天线而言主要取决于天线波束指向角的变化。

式中:△φ为单元之间的相位差;d为单元之间的距离;λ为信号波长;θ为天线波束指向角(如图3所示)。

由式(4)可知,对单元相位变化量进行控制就相当于对天线波束指向进行了控制。如果要实现对已有若干单元的阵列天线的波束指向,就需要对这若干单元进行相位控制,保证单元之间具有图4所示的同等相位差。也就是说,只需通过计算△φ,就可以实现对每个单元相位值就波束指向的控制[7]。

2.2 相控阵天线的设计与实现

波束电扫描状态如图4所示,通过对移相器SPDT开关的控制产生不同的相位差,进而实现两个不同的波束扫描状态。上文提到增大天线增益会使天线波束立体角变小,为了在增大天线增益的同时,增大阅读器的信号波束范围,通过移相器实现波束的电扫描,增大了波束的覆盖范围。

本设计的天线阵列如图5所示,设置x方向天线单元之间的距离为0.45λ,y方向为0.3λ。移相器在距离为0.45λ的天线单元(1,2)与(3,4)之间产生90°的相位差,则主波束在天线的H平面产生30°偏移方向角。天线1与2、3与4之间没有相位偏移。

使用ADS2008分别设计了微带线结构的天线单元、功分器和移相器,并制作成PCB板。PCB制作使用FR4材质,介电常数εr为4.5,介质板厚度为1.6 mm。天线单元使用的是微带线侧馈方式。为了提高整个天线阵列各个模块之间的匹配性,在设计时对每个天线单元进行了输入阻抗匹配[8],用安捷伦的E5062A网络分析仪对各个模块进行了测试和验证。图6是天线单元的回波损耗测试曲线,可以看出在915 MHz的频率下,回波损耗值为22 dB,能很好地满足设计要求。天线的方向图如图7所示。

威尔金森功分器具有电路结构简单、损耗低和隔离良好等优点[9,10],所以本设计在天线阵列中选用这种功分器结构。图8、图9为功分器的实物图和不同频率下的s参数值。从测试结果可以看出,在915 MHz的频率下,功分器的回波损耗值为26 dB,隔离度为35 dB。本设计使用的移相器为开关线型移相器,如图10所示。其基本原理是利用PIN二极管的两个单刀双掷开关,使微波信号从两条电长度不同的传输线通过后,得到两个不同的相移量,达到移相的目的[11,12,13]。而设计中使用MA-COM生产的高功率单刀双掷开关芯片MASW0204,通过阅读器对该芯片的控制,达到移相的目的。移相器的相位差设计为90°,根据公式(2),可以获得30°的波束扫描角度。图11所示为移相器的回波损耗测试曲线。从图9、图11可以看出,移相器在915 MHz时的回波损耗值为25 dB,有很好的阻抗匹配。

实际测试结果与仿真设计值有一定的差别,这种偏差主要来源于加工的不准确和介质板介电常数的不一致,特别是基板材质的损耗角正切(TanD)对插入损耗的影响特别大,在条件允许的情况下应尽量选用损耗角正切比较小的材料。

为验证设计的天线阵列的可行性,搭建了整个RFID系统进行实验,如图12所示。在与天线阵列的中心法线方向大约相差60°左右两个对称位置上放置两个无源标签,对天线系统的两个扫描状态进行测试。实验结果表明,该系统在阅读器的控制下能在预设的两个状态中扫描读取标签的EPC值,证实了设计的可行性,增大了阅读区域。图13为天线阵列的方向图。

本文设计了一种可增大阅读范围的相控阵RFID系统,它由改造的Intel誖R1000阅读器、1个移相器、3个功分器和2×2个微带天线阵列组成。天线阵列波束在改造的阅读器控制下能实现两个方向的电扫描。在每个天线单元设计时分别进行了输入阻抗的匹配,使得整个天线阵列能有很好的阻抗匹配,反射系数小。在915 MHz的频率下对整个系统进行了测试。实验结果表明该系统能增大阅读器辐射范围。本方案是基于现有的阅读器平台,引入相控阵天线阵列,使控制信号与天线有机结合,实现了增大RFID系统辐射范围的设想和智能天线的概念,并且易于实现。

RFID系统天线设计 篇2

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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[2]尹寒,陈峰.近耦合射频识别系统的工作原理及天线设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2002(1):27-30.

[3]倪廷满.浅谈天线匹配网络的一种调整方法[J].西部广播电视,2005(1):47-48.

[4]游战清.无线射频识别与条码技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

RFID系统天线设计 篇3

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分形阅读器天线设计 篇4

近年来,随着射频识别(RFID)技术的迅速发展,手持式阅读器单元的研究与设计变得尤为重要。对于手持式阅读器单元来说,传统形式的天线尺寸太大,在保持天线性能的前提下,阅读器天线的尺寸缩减难度远远大于阅读器电路,因此,其天线的小型化与便携化设计成为目前阅读器天线研究的趋势[1],为了适应不同的环境,RFID技术需要采用不同的天线通信技术来实现数据交换。

分形理论是由Benoit. B. Mandelbrot 在1975年提出[2],分形具有两个重要特征:比例自相似性和空间填充性,由于其自身的特征,可以实现天线的多频段特性和尺寸缩减特性[3]。

由于微带天线具有结构简单、易于制作等特点,本文基于Minkowski分形结构来实现阅读器天线的小型化,研究了不同阶数的Minkowski分形微带贴片天线的性能,验证了该分形天线的尺寸缩减特性。为了增加贴片天线带宽,采用双层2阶Minkowski分形结构,具有尺寸缩减和宽频带的双重特性,适合手持RFID阅读器的设计要求。

2 Minkowski分形结构原理

2.1 Minkowski分形结构的几何描述

构造分形结构的方法有多种,本文采用了一种被称为两点格式[4]的方法,此方法可用来生成一些简单的分形结构。为此,需要定义一个初始元和一个生成元。初始元给定了分形图形的框架,生成元则规定了分形图形的产生方法。Minkowski曲线的初始元和生成元如图 1所示。

设复平面上给定两点Z0和Z1,为了统一符号,记Z0=Z${}_0^{(0)}$,Z1=Z${}_1^{(0)}$,设Z${}_0^{(1)}$=Z${}_0^{(0)}$,Z(1)5=Z(0)1,令

$\begin{array}{l}|{\rm Z}{}_1^{(1)}-{\rm Z}{}_0^{(1)}|=|{\rm Z}{}_5^{(1)}-{\rm Z}{}_4^{(1)}|=\frac{1-k}{2}|{\rm Z}{}_1^{(0)}-{\rm Z}{}_0^{(0)}|(1)\\ |{\rm Z}{}_2^{(1)}-{\rm Z}{}_1^{(1)}|=|{\rm Z}{}_3^{(1)}-{\rm Z}{}_2^{(1)}|=|{\rm Z}{}_4^{(1)}-{\rm Z}{}_3^{(1)}|=k|{\rm Z}{}_1^{(0)}-{\rm Z}{}_0^{(0)}|,0＜k＜1/3(2)\end{array}$

其中k为迭代比例系数,将初始元用生成元代替,就可以得到一阶Minkowski贴片。如果将一阶Minkowski贴片边界中的每一段直线都用生成元代替,就可以得到二阶Minkowsk贴片,迭代N次则可得到N阶Minkowski分形贴片。改变系数k可以得到不同的Minkowski贴片。为统一起见,将方形贴片称为M0,一阶Minkowski贴片称为M1,N阶Minkowski分形贴片称为MN。图 2给出了迭代系数为0.25,迭代阶数分别为0阶、1阶、2阶的Minkowski图形。

2.2 Minkowski分形贴片的尺寸缩减特性

设定阅读器天线的谐振频率为2.45GHz,由微带贴片天线长度公式[5]可得

$L=\frac{1}{2}\frac{\lambda }{\sqrt{\epsilon {}_{re}}}(3)$

其中λ为谐振频率处的波长,εre为相对介电常数。仿真采用HFSS软件,选取分形系数为 0.25,相对介电常数为 2.33,厚度为 5mm,依据公式(3)可得,方形微带帖片天线的长度为 40mm,分别仿真0～2阶的Minkowski分形微带贴片天线,其反射系数如图 3所示,辐射方向图如图 4所示。

从图 3可以得到,随着迭代阶数的增加,Minkowski分形天线的谐振频率不断下降,但下降的幅度逐渐减少,这表明随着迭代次数增加,Minkowski分形天线的尺寸缩减效应可能趋于一个极限值,这与文献[6]用Koch线天线得到的结论是一致的。同时,由图 4可以看出,不同阶数的Minkowski分形天线,其辐射方向图变化不大,具有较好的一致性。

表 1列出了0～2阶Minkowski分形微带贴片天线的参数对比,1阶Minkowski分形天线比0阶天线的谐振频率下降了24.48%,而3阶分形天线比2阶天线的谐振频率只下降了2.86%。

3 Minkowski分形天线的设计与仿真

从前面分析得到,Minkowski分形贴片天线,随着迭代阶数的增加,天线的谐振频率不断降低,而辐射方向图变化不大,具有较明显的尺寸缩减特性,适合用于RFID阅读器天线的小型化设计。

为了得到较大的尺寸缩减比例和降低天线制作的复杂程度,本文选用分形系数为0.25的2阶Minkowski分形结构设计阅读器天线。在分形微带贴片天线中,电流分布于贴片上,分形则改变了电流分布,使电流沿着曲折的导体面,这样虽然减少了天线尺寸,但结果是导致工作带宽的降低。

为了增加带宽,贴片采用双层结构,并对双层贴片都进行分形处理,这样相对方形贴片天线而言,既降低了天线尺寸,又具有宽频特性。其双层天线设计结构如图 5所示,每层基板选用不同材料。经过大量的仿真和优化,得到天线的尺寸如下:上层贴片的尺寸大小为 30mm ×30mm,下层贴片尺寸大小为 28mm ×28mm,上层基板的介电常数为2.33,厚度为3mm,下层基板的介电常数为2.2,厚度为2mm,分形系数为0.25。仿真得到的反射系数图和辐射方向图,分别如图 6和图 7所示。

仿真结果表明,天线在谐振点2.45GHz处的S11为-29.56dB,-10dB带宽为80MHz,最大增益为8.56 dB,完全能满足手持RFID阅读器的设计要求。

4 结 论

本文研究了不同阶数的Minkowski分形微带贴片天线的性能,验证了该分形天线的尺寸缩减特性。设计了一个双层2阶Minkowski分形微带贴片天线,该天线在谐振频率点2.45GHz处的S11为-29.56dB,-10dB带宽为80MHz,最大增益为8.56 dB。而且尺寸大小 30mm ×30mm,与普通的方形贴片天线相比,其面积大约减少了43.75%,宽度减少了25%,这使得天线的尺寸大大缩减,且具有良好的天线性能。同时,该天线具有结构简单、易于制作等特点,适合用于RFID阅读器天线的小型化设计。

摘要：研究了不同阶数的Minkowski分形微带贴片天线的性能,给出了一种双层2阶Minkowski分形阅读器天线,仿真结果表明,天线在谐振频率点处具有良好的性能,且尺寸大小为30mm×30mm,与普通的方形贴片天线相比,其面积大约减少了43.75%,宽度减少了25%,具有较好的尺寸缩减特性,天线的性能和尺寸能满足手持RFID阅读器的要求。该天线设计具有结构简单、易于制作等特点,适合用于RFID阅读器天线的小型化设计。

关键词：分形天线,微带天线,RFID,尺寸缩减

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RFID系统天线设计 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。

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RFID系统天线设计 篇6

常用的方法是将标签垫高一定距离, 使标签距离金属有一定高度, 但此法不能无限地远离金属表面且不易小型化;还有在标签下方附着一定特殊材料, 如AMC (Artificial Magnetic Conductor) 材料[1]或EBG (Electronic Band Gap) 介质材料[2], 使得电场在标签附近的相位有所改变, 但此法对提高标签性能有限且成本过高;另一种方法则是采用特殊的天线结构, 如缝隙结构[3]、耦合结构[4]等使标签天线与标签芯片阻抗匹配, 而该方法已成为设计抗金属标签的一种趋势。

文中涉及的便是一种利用双层耦合结构以实现对标签天线的阻抗调整, 由于标签天线具有实部和虚部, 要实现与标签芯片阻抗[5]的共轭匹配。文献[6-8]提到用短路贴片方式设计标签天线, 即用短路贴片与地板形成耦合结构, 类偶极子标签天线与芯片相连放置于上层介质板耦合缝隙处[9,10], 从而激活标签芯片, 达到被识别的目的。此外, 天线的翼型结构, 对展宽阻抗带宽起着一定作用, 实际应用中可满足天线设计要求。

1 天线结构设计

天线的模型如图1所示, 标签为双层结构, 上层介质板是厚度为1.5 mm的FR4材料上, 该介质的相对介电常数为4.4, 耗损角正切为0.02。下层为低损耗聚丙烯 (pp材料) , 该介质的相对介电常数为2.6, 损耗角正切为0.001。如图1 (b) 所示, 下层由导电金属 (铝箔等) 包裹, 形成空腔结构, 中间留有宽度为3 mm的缝隙。下层介质板的上表面两侧为金属贴片与底部通过两侧金属形成短路结构, 耦合结构通过缝隙与上层贴片标签天线产生谐振, 从而激活标签芯片。在915 MHz, 标签芯片阻抗为24.5-j190Ω, 通过优化对天线阻抗进行调节, 设计标签天线详细尺寸如下:W=25 mm, L=84 mm, g=3 mm, L1=55 mm, W1=3 mm, r1=7 mm, ls=7mm, hup=1.5 mm, hdown=3 mm。

2 结果分析

设计标签天线采用双层耦合结构, 标签天线的等效电路如图2所示。下层耦合腔缝隙与上层标签产生谐振, 耦合缝隙g会对标签谐振频率产生影响, 标签天线距离地板的高度, 即上层介质板厚度hup具有电容效应, 会对谐振频率产生一定影响, 类偶极子标签天线的粗细W1主要影响感抗。此外翼型结构相对于单纯的类偶极子结构具有展宽带宽的作用。仿真结果表明标签天线具有较好的方向性。

(1) 耦合缝隙g的宽度对谐振频率的影响。如图3所示, 参数g的变化对天线谐振频率的影响。随着g从2 mm增加到5 mm, 4个谐振点依次为889 MHz、915 MHz、935 MHz和952 MHz, 可见缝隙每增加1mm, 谐振频率向高频漂移大约20 MHz。分析可知, 谐振频率公式缝隙的宽度主要影响标签天线的容值, 假设感抗不变, 则电容, 其中ε为下层介质板的介电常数。由此可见, 随着g的增加, 谐振频率必然向高频偏移。标签传输系数t=Pth/Pr其中pth为标签芯片的激活功率, pr为标签天线接收到的电磁功率。

此外, 由公式可看出, 标签宽度W, 下层耦合介质板厚度hdown也会对标签天线输入阻抗容值产生影响。在标签完成特定指标情况下, 应尽量满足小型化要求, 即W和hdown应尽量小, 文中主要对影响标签性能的结构进行分析。由于抗金属标签主要工作于902~928 MHz, 故设计谐振频率在915 MHz, 优化结果g=3 mm。

(2) 翼型结构的影响。如图4所示, 标签天线在有无翼型结构时的S参数, S11在-15 d B以下时, 无翼型结构, 仿真带宽为42 MHz, 有翼型结构带宽可达70 MHz。可见, 翼型结构具有明显的展宽带宽的作用。

由于标签天线通过耦合地板获取辐射能量, 翼型结构能够影响偶极子天线的输入阻抗, 由图5 (a) 可看出, 标签天线在915 MHz时, 上层标签天线在有无翼型结构时的输入电阻较为接近。而图5 (b) 可知输入电抗变化较大。由于, 所设计的标签天线使用的是Alien公司的H3芯片, 标签芯片在915 MHz时阻抗约为24.5-j190Ω。其中, 具有翼型结构的输入阻抗在915 MHz为11+j197Ω较好的与标签芯片共轭匹配。

(3) 标签天线的辐射特性。由图6 (a) 可见, 标签在金属表面工作时, 其在远离金属的一侧具有较好的辐射特性, 标签天线的最大增益Gr=-0.73 d Bi, 完全可被阅读器天线所识别。图6 (b) 为标签上层的类偶极子天线的表面电流分布, 在任意时刻, 表面电流同向, 这与偶极子天线的电流分布相吻合。

(4) 标签实测结果。图7给出了标签的实物比例以及标签在微波暗室中的测试图。标签被放置在厚度为2 mm, 200 mm×200 mm的金属板上, 实测结果如图8所示。结合图3, 由于标签实测结果与传输系数趋势较为吻合, 验证了仿真结果。

实测采用增益Gt=7.5 d Bi圆极化天线, 天线发射功率Pt=30 d Bm, (EIRP 2W) , 由Friis传输方程, 可推算标签理论读取距离r, λ为工作波长, Pt为天线辐射功率Pt=30 d Bm, 仿真可得标签天线增益Gr=-0.73 d Bi, 标签芯片激活功率Pth=-18 d Bm, 可由传输系数关系得标签天线获得的功率Pr=Pth/t, 在915 MHz时, 传输系数取0.9, 带入公式, 可得标签理论读取距离rmax=19.17 m。实际由于天线极化匹配、传输损耗等因素, 实际读取距离, 在暗室最佳距离约为16 m, 而在常规环境测试约为12 m, 该结果已满足现有对超高频抗金属标签的技术要求。

3 结束语

文中提出了一种新型的具有双层介质板耦合结构的RFID标签, 该标签主要应用于金属物体表面, 通过下层耦合腔的引入, 形成与上层的类偶极子天线的谐振, 从而将电磁能量传递给标签芯片。通过电磁仿真软件HFSS13仿真计算, 确定了标签的几何尺寸。并在暗室对天线实物进行了辐射方向图和读取距离的测试, 表明标签与仿真具有较好的一致性。当标签工作在902~928 MHz时, 在此频率范围内标签具有较好的阻抗带宽和辐射特性。测试结果表明该标签相对于常规的抗金属标签, 具有较远的读取距离优势, 适用于对金属物体进行资产管理和物流应用。

摘要：提出了一种用于金属物体表面的RFID天线。该天线包含一个耦合地板和翼型辐射贴片。天线尺寸为84 mm×25 mm×4.5 mm, 当圆极化阅读器天线增益为7.5 dBi, 辐射功率为30 dBm时, 在902928 MHz范围内阅读距离可达10 m。标签天线在金属物体表面的实测结果显示, 该标签具有较好的远距离识别性能。

关键词：标签天线,抗金属,耦合结构

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RFID系统天线设计 篇7

关键词：偶极子天线,近场耦合,寄生电容,射频识别

射频识别(RadioFrequencyIdentification,简称RFID)技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的自动识别技术,如今在物流、公交、零售、工业生产控制、医疗和邮政等诸多领域得到广泛应用。一个RFID系统包括RFID读写器、标签和软件系统三大部分[1]。

目前,UHF和微波射频识别系统是基于阅读器与标签之间的电磁波传播和反向散射工作的系统,工作距离相对较长,数据传输速率高,但是由于以此方式进行工作的UHF射频识别系统更容易受邻近介质物体的影响,无法穿透含水物质等限制,因此,在药物、零售业、物流等领域,其系统的功能受很大限制[2]。

基于传统的UHF频段RFID系统的缺点,近年来近场耦合RFID系统的研究得到越来越多的重视。近场耦合RFID系统使用磁场耦合,在天线近场区工作,工作距离短于传统UHF频段RFID系统,并在液体环境下有较好的性能,适合用于物品级(Item Level Tagging)标签识别(即满足对每一个物品进行识别),其性能上与传统UHF频段RFID系统互补。如今,采用近场耦合UHF+传统UHF频段做成的RFID系统是大势所趋。它可以弥补传统UHF频段RFID系统的很多缺点[3]。

现主要对UHF频段近场耦合阅读器天线进行研究与设计。基于贴片天线设计阅读器天线。现在,阅读器天线的小型化是当前阅读器天线设计主要问题。为了减小天线尺寸,采用了弯折偶极子天线,同时也提高了输入阻抗。在设计当中,为了提高天线可调性,在弯折偶极子中间的背面添加了电容片,增加了容性负载,降低了谐振频率。设计过程当中,始终保持了结构的对称性,因而天线的辐射方向图是全向的,提高了识别标签的概率。

使用IE3D天线仿真软件对天线进行设计、仿真和参数调整,得到了较好的阻抗特性与辐射特性;在此基础上制作了贴片天线实物,并使用网络分析仪测量了天线的阻抗特性,对天线尺寸参数进行了调整以使该天线阻抗匹配在50Ω。最后接上UHF近场耦合阅读器进行测试,可以顺利地完成读卡,效果良好。

1 近场耦合天线的理论分析

根据天线原理,近场天线的工作范围在R<2D2/λ的范围内。在近场区,各场强分量与距离天线距离r之间的关系为1/r3。由于距离天线较近,在近场区有利于进行能量耦合。相比于HF频段,在UHF频段的近场区能得到更高的感应电压,因而有利于能量的耦合,不易受到环境的影响[3]。

采用微带贴片天线进行制作。微带天线具有体积小,重量轻,低剖面,能与载体(如飞行器)共形;制造成本低,易于大量生产;电性能多样化,易于实现各种极化和多频段工作等诸多优点[4]。

图1是弯折偶极子天线的原型。它是由λ/2偶极子天线弯折成正方形而成,因此正方形边长为λ/8。图1下方为天线馈电点(以下图3、图4意义等同图1)。相比较环形天线,面天线,弯折成方形偶极子天线所需的天线尺寸较小,分别是环形天线面积的1/4,面天线所需面积的1/16,是天线小型化的最理想方案。

由于弯折偶极子天线尺寸小,因而相比环形天线,面天线,其最初阻抗在工作频段下较小。因此在设计过程中必须设法提高天线阻抗以实现与阅读器的阻抗匹配。根据弯折偶极子天线的传输线模型与天线模型分析法[5],可以将弯折偶极子天线建模为变压器模型,如图2。图2中电容C表示弯折天线的等效电容,Zf为传输线模式下的等效阻抗,Za为天线模式下的等效阻抗,经过变压器阻抗计算得到天线输入阻抗如(1)式。

Zin≅(1+α)2Zα (1)

因此可通过上式中的(1+α)2项来提高偶极子天线的输入阻抗,使其达到50 Ω与阅读器输出阻抗匹配。在实际天线调整过程中,可通过调整两个极子之间的间距来提高α值,从而提高输入阻抗。

另外,为了调整天线谐振频率,可在贴片天线的介质板背面添加容性片。这个容性负载可增加天线的电长度,适当减小天线的谐振频率。如图3、图4所示(其中虚线部分为添加在背面的电容片)。

最后,为了增大弯折偶极子天线的电长度,同时也为了提高天线的可调整性,可多加一层偶极子,得到的天线结构如图4。

图4中虚线表示介质板背面的容性贴片,在实际制作过程中,可调整容性贴片宽度与高度,偶极子天线间的间距以达到阻抗匹配以及最佳的天线方向图。

2 阅读器近场天线的仿真分析

设计的近场UHF天线,采用的介质是通用的RF4介质板(厚度H=1.6 mm,相对介电常数为4.7,介质的损耗角正切为0.003 4),底层没有反射板,仅在弯折偶极子的间隔处的背面添加容性片。介质板正面是贴片天线,馈电方式是同轴馈电,天线的正视图如图5所示:

矩形框面积是32 mm×32 mm,贴片宽度是1 mm,内层框尺寸28 mm×28 mm,贴片宽度为1 mm～1.5 mm (实际制作时根据谐振频率进行调整)。上面的绿色部分是背面的容性贴片,可调整其宽高使天线谐振在915 MHz。

经过调整后,仿真得出的天线S(1,1)参数如图6。图中横轴表示天线工作频率(GHz),纵轴表示反射系数S(1,1)的dB值。

从图6看出,该天线在915 MHz频率下的阻抗为(47+j6) Ω,dB(S(1,1))参数为-20.8 dB,基本上达到了匹配,该天线带宽为10 MHz左右,满足了近场耦合阅读器对天线的要求。

在仿真过程中,各参数对天线性能的影响如表1。

天线尺寸决定天线工作频率范围,此外,外层偶极子间距对谐振频率的影响比内层大;另外,电容片之间间距不能过短,否则相互之间的耦合影响将影响天线整体性能。

经过调整、优化后可使天线性能得到较大的提高,最后仿真得到该天线的方向图如图7。方向图使用参考值为全向天线的功率增益dBi表示。E-total为天线电场的能量,phi=0表示天线E面;phi=90(deg)表示天线H面。

图8中,左边的dB数表示天线各部分电流与最大电流的相对值。从图7、图8可知,该天线的增益较小,电流较小,向外辐射的能量较小,能量主要集中在天线近场区。

计算该天线的辐射电阻如下[2]。

$R{}_r=20\pi {}^6\left(\frac{a}{\lambda }\right){}^4(1)$

a为天线尺寸,为32 mm,λ为915 MHz频率下电磁波的波长,Rr为1.744 7 Ω。

根据能量转换原理,Etotal=Er+EH。其中Etotal为发射机的总能量,它可以通过天线的S(1,1)表征,S(1,1)很低,表示对天线输入端来说能量反射很小,因而Etotal较大。Er为电场辐射能量,可通过Rr表征Er∈Rr,Rr较小,说明Er较小,因此HT(转换为磁场的能量)很大,证明了此天线为近场天线。

3 近场天线的实物制作与性能测量

实际制作的近场天线实物图如图9,整个天线仅有3.5 cm×3.5 cm,可放置在名片盒内。

SMA头下面的介质是胶,用于固定SMA头。使用矢量网络分析仪测量该天线的S(1,1)参数与图6基本一致,实测该天线在915.5 MHz下的衰减为-25 dB,大部分能量转换为磁场,天线匹配性良好,并测量了该天线在谐振频率下的阻抗,为(49+j2) Ω,与仿真时的数据(图6)基本吻合。

最后,接上近场阅读器进行实际测试,读卡距离在(20—30) cm,读卡稳定。

4 结论

设计并实现了一种RFID阅读器近场耦合天线,对该天线的阻抗特性和辐射特性进行了理论计算和仿真,通过调整天线参数尺寸,实现了与阅读器的阻抗匹配,最后制作了实物,该天线尺寸小而精致,并经过了实际测量,性能良好。

参考文献

[1] Want R.An introduction to RFID technology.Pervasive Computing,IEEE,Volume 5,Issue 1,Jan-March 2006:25—33

[2] Shameli A,Safarian A,Rofougaran A,et al.A UHF near-fieldRFID system sith fully integrated transponder.IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,2008;56(5)Part 2:1267—1277

[3] Nikitin P V,Rao K V S,Lazar S.An overview of near field UHFRFID.IEEE International Conference on RFID,2007:167—174

[4]赖晓铮,刘焕彬,王重山,等.纸基RFID小环天线设计,中山大学学报(自然科学版)2008;47(2):46—49