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RFID技術(shù)應(yīng)用前景分析及 RFID天線分析

來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2009/01/12
　   1、前言
    
    無線射頻識(shí)別技術(shù)(RadioFrequencyIdentification，RFID)是從二十世紀(jì)九十年代興起的一項(xiàng)利用射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式雙向通信，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。
    
    目前常用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中，條碼和磁卡的成本較低，但是都容易磨損，且數(shù)據(jù)量很小不能改寫；接觸式IC卡的價(jià)格稍高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，安全性相對(duì)較好，但是也容易磨損，壽命短；而RFID技術(shù)具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、讀取距離遠(yuǎn)、抗干擾強(qiáng)、應(yīng)用便利等許多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了免接觸操作，無機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)，無需可見光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性強(qiáng)，而且，可以在惡劣環(huán)境下工作，支持寫入數(shù)據(jù)，可重復(fù)使用，并且使用了防沖撞技術(shù)，能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)高速運(yùn)動(dòng)物體。
    
    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，RFID已涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，例如火車的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、物品管理、流水線生產(chǎn)自動(dòng)化、門禁系統(tǒng)、金融交易、倉(cāng)儲(chǔ)管理、畜牧管理、車輛防盜等.RFID技術(shù)將成為未來信息社會(huì)建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。
    
    2、RFID原理介紹
    
    RFID系統(tǒng)基本上都由電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Reader&Writer）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（CenterProcessor）三大部分組成。電子標(biāo)簽由片上天線及集成芯片組成,通過電磁波與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫和加密通信功能。讀寫器主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理、對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫控制等。RFID系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。
    
    RFID系統(tǒng)的工作原理其實(shí)也很簡(jiǎn)單：讀寫器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載到高頻載波信號(hào)上再經(jīng)天線向外發(fā)送。進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此信號(hào)，卡內(nèi)芯片的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行倍壓整流、調(diào)制、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過片上天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至信息系統(tǒng)進(jìn)行處理；若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起電子標(biāo)簽內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供電壓擦寫E2PROM。若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息。
    
    3、中國(guó)RFID應(yīng)用前景
    
    2006年中國(guó)RFID領(lǐng)域各種新技術(shù)和應(yīng)用點(diǎn)不斷出現(xiàn)，RFID相關(guān)應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了真正的市場(chǎng)爭(zhēng)奪階段。關(guān)于RFID標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)奪也進(jìn)入白熱化階段，美國(guó)EPCglobal、國(guó)際ISO/IEC18000、日本UID三大標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)日益劇烈，中國(guó)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)政策白皮書也于2006年6月9號(hào)出臺(tái)，為中國(guó)的RFID發(fā)展指明了方向，奠定了基礎(chǔ)。
    
    與美德日等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)在RFID技術(shù)和應(yīng)用上還只是處于發(fā)展初期。中國(guó)RFID企業(yè)總數(shù)有100多家，RFID行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，但是相關(guān)的RFID關(guān)鍵技術(shù)缺乏，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品非常少。低頻（LF）和高頻（HF）RFID發(fā)展較早，技術(shù)成熟，產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，技術(shù)門檻低，產(chǎn)品成本低，使得這兩個(gè)頻段的產(chǎn)業(yè)得到充分發(fā)展（例如二代身份證的大規(guī)模換發(fā)），但是產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，市場(chǎng)越發(fā)飽和。而超高頻（UHF）RFID發(fā)展較晚，技術(shù)門檻高，我國(guó)沒有掌握芯片設(shè)計(jì)
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[!--empirenews.page--]制造、片上天線設(shè)計(jì)、封裝集成技術(shù)及裝備等關(guān)鍵核心技術(shù)，涉足的企業(yè)少，產(chǎn)品應(yīng)用成本高，國(guó)內(nèi)還處于發(fā)展初級(jí)階段。而超高頻頻段市場(chǎng)潛力巨大，產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，是迫切需要開發(fā)的領(lǐng)域。
    
    4、RFID天線類型
    
    天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩大類，分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用。當(dāng)前的RFID系統(tǒng)主要集中在LF、HF(13.56MHz)、UHF（860-960MHz）和微波頻段，不同工作頻段的RFID系統(tǒng)天線的原理和設(shè)計(jì)有著根本上的不同。RFID天線的增益和阻抗特性會(huì)對(duì)RFID系統(tǒng)的作用距離等產(chǎn)生影響，RFID系統(tǒng)的工作頻段反過來對(duì)天線尺寸以及輻射損耗有一定要求。所以RFID天線設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)RFID系統(tǒng)的成功與否。
    
    4.1、近場(chǎng)天線
    
    對(duì)于LF和HF頻段，系統(tǒng)工作在天線的近場(chǎng)，標(biāo)簽所需的能量都是通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場(chǎng)獲得，工作方式為電感耦合。近場(chǎng)天線的公式是：
    
    由上式可知，電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的三次方衰減，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的二次方衰減，且電磁場(chǎng)分量相位差為90○，波印廷矢量為虛數(shù)，能量不向外輻射，只在天線表面附近進(jìn)行電能和磁能的交換。因?yàn)樵诮鼒?chǎng)實(shí)際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的線圈型天線。
    
    線圈型天線實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)諧振電路。在指定的工作頻率上，當(dāng)感應(yīng)阻抗等于電容阻抗的時(shí)候，線圈天線就會(huì)產(chǎn)生諧振。諧振回路的諧振頻率為:（L是天線的線圈電感、C是天線的線圈電容）.HF段RFID的線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz.，RFID應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。某些應(yīng)用環(huán)境要求RFID線圈天線外形很小,且需一定的工作距離,這樣必然會(huì)使線圈天線的互感量減小。為了解決這個(gè)問題，我們通常在線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.很明顯，近場(chǎng)天線的工作原理完全類似我們熟知的變壓器原理，理論相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
    
    4.2、遠(yuǎn)場(chǎng)天線
    
    下面，我們著重討論遠(yuǎn)場(chǎng)天線的理論分析和結(jié)構(gòu)。對(duì)于超高頻和微波頻段，讀寫器天線要為標(biāo)簽提供能量或喚醒有源標(biāo)簽，工作距離較遠(yuǎn)，一般位于讀寫器天線的遠(yuǎn)場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)天線的公式為：
    
    由上式可得，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的一次方衰減，電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向相互垂直，且都垂直于傳播方向。波印廷矢量為實(shí)數(shù)，電磁場(chǎng)以電磁波形式向外輻射能量。此時(shí)，天線設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，多采用偶極子型或微帶貼片天線。下面分別予以詳細(xì)分析。
    
    4.2.1、偶極子天線
    
    偶極子天線，也稱為對(duì)稱振子天線，由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成。信號(hào)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,這種電流分布就會(huì)在天線周圍空間激發(fā)起電磁場(chǎng).一般在RFID電子標(biāo)簽中使用的是曲折型的折合偶極子天線。如圖4所示：
    
    利用麥克斯韋方程就可以求出偶極子天線的輻射場(chǎng)方程:
    
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[!--empirenews.page--]sp; 式中IZ為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù),r是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離,θ為振子軸到r的夾角,l為單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度.通過高頻軟件仿真，如ADS，HFSS,可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等特性參數(shù).當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度l=π/4時(shí)(半波振子),輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻.例如，由N根導(dǎo)線折合偶極子，假設(shè)所有導(dǎo)線上的電路都相等，其饋端阻抗為70N2。在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下,簡(jiǎn)單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度l為π/4的整數(shù)倍.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí),可采用折合偶極子天線.
    
    4.2.2、微帶貼片天線
    
    微帶貼片天線通常是由金屬貼片貼在接地平面上一片薄層圖5微帶貼片天線的示意圖
    
    微帶貼片天線質(zhì)量輕、體積小、剖面薄,饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線同時(shí)制作，與通信系統(tǒng)的印刷電路集成在一起，貼片又可采用光刻工藝制造，成本低、易于大量生產(chǎn)。微帶貼片天線以其饋電方式和極化制式的多樣化以及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等特點(diǎn)而成為印刷天線類的主角。
    
    通常微帶貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長(zhǎng),假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒有變化,僅沿約為半個(gè)波長(zhǎng)的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化.則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場(chǎng)引起,方向基本確定。因此，微帶貼片天線非常適用于通訊方向變化不大的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中。
    
    5、RFID天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)
    
    RFID天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對(duì)天線性能有很大影響。天線的結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所帖附物體形狀及物理特性的影響。例如，磁場(chǎng)不能穿透金屬等導(dǎo)磁材料,金屬物附近磁力線形狀會(huì)發(fā)生改變,而且,由于磁場(chǎng)能會(huì)在金屬表面引起渦流.由楞次定律可知,渦流會(huì)產(chǎn)生抵抗激勵(lì)的磁通量,導(dǎo)致金屬表面磁通量大大衰減.讀寫器天線發(fā)出的能量被金屬吸收,讀寫距離就會(huì)大大減小。另外，液體對(duì)電磁信號(hào)有吸收作用，彈性基層會(huì)造成標(biāo)簽及天線變形，寬頻帶信號(hào)源（如發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、發(fā)電機(jī)）會(huì)產(chǎn)生電磁干擾等，這些都是我們?cè)O(shè)計(jì)天線時(shí)必須細(xì)致考慮的地方。目前，研究領(lǐng)域根據(jù)天線的以上特性提出了多種解決方案，如采用曲折型天線解決尺寸限制，采用倒F型天線解決金屬表面的反射問題等。
    
    天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出電路，這就需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其電路的匹配，天線匹配程度越高，天線的輻射性能越好。當(dāng)工作頻率增加到超高頻區(qū)域的時(shí)候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。在傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，我們可以通過控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配。一般天線的開發(fā)基于的是50或75歐姆阻抗，而在RFID系統(tǒng)中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測(cè)試，天線的設(shè)計(jì)也就難以達(dá)到最佳。
    
    對(duì)于近距離RFID應(yīng)用，天線一般和讀寫器集成在一起，對(duì)于遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)，讀寫器天線天線和讀寫器一般采取分離式結(jié)構(gòu)，通過阻抗匹配的同軸電纜連接。一般來說，方向性天線由于具有較少回波損耗，比較適合標(biāo)簽應(yīng)用；由于標(biāo)簽放置方向不可控，讀寫器天線一般采用圓極化方式。讀寫器天線要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對(duì)于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計(jì)問題。國(guó)外已經(jīng)
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[!--empirenews.page--]開始研究在讀寫器應(yīng)用智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，"智能"的打開和關(guān)閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線覆蓋區(qū)域的標(biāo)簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍[6]。
    
    6、天線設(shè)計(jì)流程
    
    下面以微帶天線為例介紹RFID天線的設(shè)計(jì)流程，希望可以起到拋磚引玉的效果。因?yàn)槲炀€的性能指標(biāo)與天線的微帶單元尺寸、基板尺寸、饋電點(diǎn)位置等密切相關(guān)，而這些參數(shù)又直接由RFID系統(tǒng)的工作頻率、基片介電系數(shù)、基片厚度、饋電方式?jīng)Q定。在選定基片介電系數(shù)和基板厚度、饋電方式之后，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中相關(guān)公式，計(jì)算出貼片尺寸、饋電點(diǎn)的位置，再使用TransmissionLineCalculator工具計(jì)算出饋線的尺寸。得到以上設(shè)計(jì)參數(shù)之后，就可以在高頻軟件ADS的Layout中進(jìn)行仿真。初步仿真后，在Schematic文件中進(jìn)行天線匹配，然后參照匹配系數(shù)在Layout中進(jìn)行修改，完成最終RFID微帶天線的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程明晰流暢，簡(jiǎn)單快捷,調(diào)試方便。
    
    7、結(jié)論
    
    目前，RFID技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，它將不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如天線技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、高頻技術(shù)、電磁兼容性、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、無線通信技術(shù)、封裝制造技術(shù)等專業(yè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)很大程度上節(jié)省了人工成本，提高作業(yè)精確性，加快數(shù)據(jù)處理速度，有效跟蹤物流動(dòng)態(tài)等。RFID天線設(shè)計(jì)技術(shù)作為整個(gè)RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相當(dāng)關(guān)鍵的一項(xiàng)攻堅(jiān)技術(shù)，需要我們?cè)谄胀ㄌ炀€設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更細(xì)致的考慮RFID系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等的影響，為RFID系統(tǒng)的理想工作提供保證。
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