RFID技术及RFID天线分析

4.2.1  偶极子天线
  
偶极子天线，也称为对称振子天线，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入,在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布,这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场.一般在RFID电子标签中使用的是曲折型的折合偶极子天线。如图4所示：
  
利用麦克斯韦方程就可以求出偶极子天线的辐射场方程:
  
式中IZ为沿振子臂分布的电流,α为相位常数, r是振子中点到观察点的距离,θ为振子轴到r 的夹角,l为单个振子臂的长度.通过高频软件仿真，如ADS，HFSS,可以得到天线的输入阻抗、输入回波损耗S11、阻抗带宽和天线增益等特性参数.当单个振子臂的长度l = π/4时(半波振子) ,输入阻抗的电抗分量为零,天线输入阻抗可视为一个纯电阻.例如，由N根导线折合   偶极子，假设所有导线上的电路都相等，其馈端阻抗为70N2。在忽略天线粗细的横向影响下,简单的偶极子天线设计可以取振子的长度l为π/4的整数倍.当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时,可采用折合偶极子天线.
  
4.2.2  微带贴片天线
  
微带贴片天线通常是由金属贴片贴在接地平面上一片薄层图5  微带贴片天线的示意图
  
微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄,馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印刷电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。微带贴片天线以其馈电方式和极化制式的多样化以及馈电网络、有源电路集成一体化等特点而成为印刷天线类的主角。
  
通常微带贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长,假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化,仅沿约为半个波长的导体长度方向变化.则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起,方向基本确定。因此，微带贴片天线非常适用于通讯方向变化不大的RFID应用系统中。

5 RFID天线设计要点
  
RFID天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。天线特性也受所帖附物体形状及物理特性的影响。例如，磁场不能穿透金属等导磁材料,金属物附近磁力线形状会发生改变,而且,由于磁场能会在金属表面引起涡流. 由楞次定律可知,涡流会产生抵抗激励的磁通量,导致金属表面磁通量大大衰减. 读写器天线发出的能量被金属吸收,读写距离就会大大减小。另外，液体对电磁信号有吸收作用，弹性基层会造成标签及天线变形，宽频带信号源（如发动机、水泵、发电机）会产生电磁干扰等，这些都是我们设计天线时必须细致考虑的地方。目前，研究领域根据天线的以上特性提出了多种解决方案，如采用曲折型天线解决尺寸限制，采用倒F型天线解决金属表面的反射问题等。

天线的目标是传输最大的能量进出电路，这就需要仔细的设计天线和自由空间以及其电路的匹配，天线匹配程度越高，天线的辐射性能越好。当工作频率增加到超高频区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。在传统的天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸和结构，使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。一般天线的开发基于的是50或75欧姆阻抗，而在RFID系统中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，天线的设计也就难以达到最佳。
  
对于近距离RFID应用，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离RFID系统，读写器天线天线和读写器一般采取分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆连接。一般来说，方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合标签应用,由于标签放置方向不可控，读写器天线一般采用圆极化方式。读写器天线要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。国外已经开始研究在读写器应用智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，智能的打开和关闭不同的天线，使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签，增大系统覆盖范围[6]。
  
6 天线设计流程
  
下面以微带天线为例介绍RFID天线的设计流程，希望可以起到抛砖引玉的效果。因为微带天线的性能指标与天线的微带单元尺寸、基板尺寸、馈电点位置等密切相关，而这些参数又直接由RFID系统的工作频率、基片介电系数、基片厚度、馈电方式决定。在选定基片介电系数和基板厚度、馈电方式之后，根据文献[7]中相关公式，计算出贴片尺寸、馈电点的位置，再使用Transmission Line Calculator工具计算出馈线的尺寸。得到以上设计参数之后，就可以在高频软件ADS的Layout中进行仿真。初步仿真后，在Schematic文件中进行天线匹配，然后参照匹配系数在Layout中进行修改，完成最终RFID微带天线的设计。整个设计流程明晰流畅，简单快捷,调试方便。
  
7 结论
  
目前，RFID技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将不同专业领域的技术综合到一起：如天线技术、半导体技术、高频技术、电磁兼容性、数据,ず兔苈胙А⑽尴咄ㄐ偶际酢⒎庾爸圃旒际醯茸ㄒ盗煊颉RFID技术很大程度上节省了人工成本，提高作业精确性，加快数据处理速度，有效跟踪物流动态等。RFID天线设计技术作为整个RFID系统设计中相当关键的一项攻坚技术，需要我们在普通天线设计的基础上更细致的考虑RFID系统应用环境、工作频率、阻抗匹配等的影响，为RFID系统的理想工作提供保证。