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RFID标签天线热点问题

作者:时间:2012-10-23来源:网络收藏

1 引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/153800.htm

射频识别是一种使用射频技术的非接触自动识别技术,具有传输速率快、防冲撞、大批量读取、运动过程读取等优势,因此,技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重大的应用潜力。目前,射频识别技术的工作频段包括低频、高频、超高频及微波段,其中以高频和超高频的应用最为广泛。

2 技术原理

系统主要由读写器(target)、应答器(RFID)和后台计算机组成,其中,读写器实现对的数据读写和存储,由控制单元、高频通信模块和组成,主要由一块集成电路芯片及外接组成,其中电路芯片通常包含射频前端、逻辑控制、存储器等电路。标签按照供电原理可分为有源(active)标签、半有源(semi.active)标签和无源(passive)标签,无源标签因为成本低、体积小而备受青睐。   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。

3 RFID系统中的天线

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。在标签与读写器数据通信过程中起关键作用是天线,一方面,标签的芯片启动电路开始工作,需要通过天线在读写器产生的电磁场中获得足够的能量;另一方面,天线决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式。因此,天线尤其是标签内部天线的研究就成为了重点。

3.1 RFID系统天线的类别

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两类。有源天线的性能要求较无源天线要低一些,但是其性能受电池寿命的影响很大:无源天线能够克服有源天线受电池限制的不足.但是对天线的性能要求很高。目前,RFID天线的研究重点是无源天线。从RFID系统工作频段来分.在LF、HF段f如6.78 MHz、13.56 MHz)I作的RFID系统,电磁能量的传送是在感应场区域(似稳场)中完成,也称为感应耦合系统;在UHF段(如915 MHz、2 400 Mttz)Z作的系统,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,一般取半波长。

天线的形状和尺寸决定它能捕捉的频率范围等性能,频率越高,天线越灵敏,占用的面积也越少。较高的工作频率可以有较小的标签尺寸,与近场感应天线相比,远场辐射天线的辐射效率较高。

3.2 RFID标签天线的设计要求

RFID标签天线的设计要求主要包括:天线的物理尺寸足够小,能满足标签小型化的需求;具有全向或半球覆盖的方向性;具有高增益,能提供最大的信号给标签的芯片;阻抗匹配好,无论标签在什么方向,标签天线的极化都能与读写器的信号相匹配;具有顽健性及低成本。在选择天线时主要考虑:天线的类型,天线的阻抗,应用到物品上的RF性能,当有其他物品围绕标签物品时的RF性能。

4 RFID标签天线的类别和研究现状

标签天线主要分为3大类:线圈型、偶极子、缝隙(包括微带贴片)型。线圈型天线是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁心上;偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成,信号从中间的两个端点馈人,天线的长度决定频率范围;缝隙型天线是由金属表面切出的凹槽构成,其中微带贴片天线由一块末端带有长方形的电路板构成,长方形的长宽决定频率范围。

识别距离小于1 m的中低频近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线;以上的高频或微波频段的远距离应用系统需要采用偶极子和缝隙型天线。

4.1 线圈型天线

当标签线圈天线进入读写器产生的交变磁场中,标签天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器。两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。由标签天线形成的谐振回路如图1所示。 图1 标签等效电路  标签和读写器双向通信使用的载波频率就是. 当要求标签天线线圈外形很小,即面积小,且需一定的工作距离,RFID标签与读写器问的天线线圈互感量( 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㈥的铁氧体材料,以增大互感量,从而补偿线圈横截面小的”。目前线圈型天线的实现技术已很成熟,广泛地应用在身份识别、货物标签等RFID系统中,但是对于频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID应用场合,采用线圈型天线难以实现相应的性能指标。

4.2 偶极子天线

偶极子天线具有辐射能力好、结构简单、效率高的优点嘲,可以设计成适用于全方位通信的RFID系统,被广泛应用于RFID标签天线的设计,尤其是在远距离RFID系统中。

传统半波偶极子天线的最大在于对标签尺寸的影响,如915 MHz的半波偶极子。研究表明,端接的、倾斜的、折叠的偶极子天线可以通过选择合适的几何参数来获得所需的输入阻抗,具有增益高、频率覆盖宽和噪声低的优点,性能非常出色,且与传统半波偶极子天线相比尺寸要小很多,若配合铜焊电气端子和不平衡变压器,还能最大限度地提升增益、阻抗匹配和带宽。已知增加天线的弯折次数有利于在不降低天线效率的情况下减小天线尺寸,那么,如何在有限的空问下进行“弯折”,“弯折”的具体参数对标签天线的谐振频率和输入阻抗有何影响?怎样“弯折”的RF效率最高?

我们知道具有分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点,应用到天线设计上可以实现天线多频段特性和尺寸缩减特性。国内外对具有分形结构的天线做了大量研究工作,证实了分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性,可以在有限的空间内大幅度提高天线效率网。

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