RFID技术应用前景分析及 RFID天线分析

　1前言

　　无线射频识别技术(RadioFrequencyIdentification，RFID)是从二十世纪九十年代兴起的一项利用射频信号进行非接触式双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。

　　目前常用的自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损，且数据量很小不能改写;接触式IC卡的价格稍高，数据存储量较大，安全性相对较好，但是也容易磨损，寿命短;而RFID技术具有精度高、适应环境能力强、读取距离远、抗干扰强、应用便利等许多优点，实现了免接触操作，无机械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性强，而且，可以在恶劣环境下工作，支持写入数据，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够同时识别多个高速运动物体。

　　随着科学技术的进步，RFID已涉及到人们日常生活的各个方面，被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如火车的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等.RFID技术将成为未来信息社会建设的一项基础技术。

　　2RFID原理介绍

　　RFID系统基本上都由电子标签(Tag)、读写器(Reader&Writer)和数据交换与管理系统(CenterProcessor)三大部分组成。电子标签由片上天线及集成芯片组成,通过电磁波与读写器进行数据交换，具有智能读写和加密通信功能。读写器主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对电子标签进行读写控制等。RFID系统的基本原理框图如图1所示。

　　RFID系统的工作原理其实也很简单：读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理;若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不符，则返回出错信息。

　　3中国RFID应用前景

　　2006年中国RFID领域各种新技术和应用点不断出现，RFID相关应用与技术发展进入了真正的市场争夺阶段。关于RFID标准的争夺也进入白热化阶段，美国EPCglobal、国际ISO/IEC18000、日本UID三大标准之争日益剧烈，中国射频识别(RFID)技术政策白皮书也于2006年6月9号出台，为中国的RFID发展指明了方向，奠定了基础。

　　与美德日等发达国家相比，中国在RFID技术和应用上还只是处于发展初期。中国RFID企业总数有100多家，RFID行业产业链基本形成，但是相关的RFID关键技术缺乏，自主知识产权的产品非常少。低频(LF)和高频(HF)RFID发展较早，技术成熟，产品应用广泛，技术门槛低，产品成本低，使得这两个频段的产业得到充分发展(例如二代身份证的大规模换发)，但是产品同质化严重，市场越发饱和。而超高频(UHF)RFID发展较晚，技术门槛高，我国没有掌握芯片设计制造、片上天线设计、封装集成技术及装备等关键核心技术，涉足的企业少，产品应用成本高，国内还处于发展初级阶段。而超高频频段市场潜力巨大，产品应用广泛，是迫切需要开发的领域。

　　4RFID天线类型

　　天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。当前的RFID系统主要集中在LF、HF(13.56MHz)、UHF(860-960MHz)和微波频段，不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同。RFID天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离等产生影响，RFID系统的工作频段反过来对天线尺寸以及辐射损耗有一定要求。所以RFID天线设计的好坏关系到整个RFID系统的成功与否。

　　4.1近场天线

　　对于LF和HF频段，系统工作在天线的近场，标签所需的能量都是通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，工作方式为电感耦合。近场天线的公式是：

　　由上式可知，电场强度随距离的三次方衰减，磁场强度随距离的二次方衰减，且电磁场分量相位差为90○，波印廷矢量为虚数，能量不向外辐射，只在天线表面附近进行电能和磁能的交换。因为在近场实际上不涉及电磁波传播的问题，天线设计比较简单，一般采用工艺简单、成本低廉的线圈型天线。

　　线圈型天线实质上就是一个谐振电路。在指定的工作频率上，当感应阻抗等于电容阻抗的时候，线圈天线就会产生谐振。谐振回路的谐振频率为:(L是天线的线圈电感、C是天线的线圈电容).HF段RFID的线圈天线谐振工作频率通常为13.56MHz.，RFID应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。某些应用环境要求RFID线圈天线外形很小,且需一定的工作距离,这样必然会使线圈天线的互感量减小。为了解决这个问题，我们通常在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减小的问题.很明显，近场天线的工作原理完全类似我们熟知的变压器原理，理论相对比较简单。

　　4.2远场天线

　　下面，我们着重讨论远场天线的理论分析和结构。对于超高频和微波频段，读写器天线要为标签提供能量或唤醒有源标签，工作距离较远，一般位于读写器天线的远场。远场天线的公式为：

　　由上式可得，电场强度和磁场强度随距离的一次方衰减，电场和磁场方向相互垂直，且都垂直于传播方向。波印廷矢量为实数，电磁场以电磁波形式向外辐射能量。此时，天线设计对系统性能影响较大，多采用偶极子型或微带贴片天线。下面分别予以详细分析。

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。

　　5RFID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TransmissionLineCalculator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、数据保护和密码学、无线通信技术、封装制造技术等专业领域。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。