RFID技術原理和RFID標籤天線詳解

　　1　引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201805/380659.htm

　　射頻識別是一種使用射頻技術的非接觸自動識別技術，具有傳輸速率快、防衝撞、大批量讀取、運動過程讀取等優勢，因此，RFID技術在物流與供應鏈管理、生產管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領域具有重大的應用潛力。目前，射頻識別技術的工作頻段包括低頻、高頻、超高頻及微波段，其中以高頻和超高頻的應用最為廣泛。

　　2　RFID技術原理

　　RFID系統主要由讀寫器(target)、應答器(RFID標籤)和後臺計算機組成，其中，讀寫器實現對標籤的數據讀寫和存儲，由控制單元、高頻通信模塊和天線組成，標籤主要由一塊集成電路晶片及外接天線組成，其中電路晶片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路。標籤按照供電原理可分為有源(acTIve)標籤、半有源(semiacTIve)標籤和無源(passive)標籤，無源標籤因為成本低、體積小而備受青睞。

　　RFID系統的基本工作原理是：標籤進入讀寫器發射射頻場後，將天線獲得的感應電流經升壓電路後作為晶片的電源，同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路變為數位訊號送入邏輯控制電路進行處理，需要回復的信息則從標籤存儲器發出，經邏輯控制電路送回射頻前端電路，最後通過天線發回讀寫器。

　　3　RFID系統中的天線

　　從RFID技術原理上看，RFID標籤性能的關鍵在於RFID標籤天線的特點和性能。在標籤與讀寫器數據通信過程中起關鍵作用是天線，一方面，標籤的晶片啟動電路開始工作，需要通過天線在讀寫器產生的電磁場中獲得足夠的能量;另一方面，天線決定了標籤與讀寫器之間的通信信道和通信方式。因此，天線尤其是標籤內部天線的研究就成為了重點。

　　3.1 RFID系統天線的類別

　　按RFID標籤晶片的供電方式來分，RFID標籤天線可以分為有源天線和無源天線兩類。有源天線的性能要求較無源天線要低一些，但是其性能受電池壽命的影響很大：無源天線能夠克服有源天線受電池限制的不足，但是對天線的性能要求很高。目前，RFID天線的研究重點是無源天線。從RFID系統工作頻段來分，在LF、HF段f如6.78MHz、13.56MHz)I作的RFID系統，電磁能量的傳送是在感應場區域(似穩場)中完成，也稱為感應耦合系統;在UHF段(如915MHz、2400Mttz)Z作的系統，電磁能量的傳送是在遠場區域(輻射場)中完成，也稱為微波輻射系統。由於兩種系統的能量產生和傳送方式不同，對應的RFID標籤天線及前端部分存在各自特殊性，因此標籤天線分為近場感應線圈天線和遠場輻射天線。感應耦合系統使用的是近場感應線圈天線，由多匝電感線圈組成，電感線圈和與其相併聯的電容構成並聯諧振迴路以耦合最大的射頻能量;微波輻射系統使用的遠場輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線，遠場輻射天線通常是諧振式的，一般取半波長。天線的形狀和尺寸決定它能捕捉的頻率範圍等性能，頻率越高，天線越靈敏，佔用的面積也越少。較高的工作頻率可以有較小的標籤尺寸，與近場感應天線相比，遠場輻射天線的輻射效率較高。

　　3.2 RFID標籤天線的設計要求

　　RFID標籤天線的設計要求主要包括：天線的物理尺寸足夠小，能滿足標籤小型化的需求;具有全向或半球覆蓋的方向性;具有高增益，能提供最大的信號給標籤的晶片;阻抗匹配好，無論標籤在什麼方向，標籤天線的極化都能與讀寫器的信號相匹配;具有頑健性及低成本。在選擇天線時主要考慮：天線的類型，天線的阻抗，應用到物品上的RF性能，當有其他物品圍繞標籤物品時的RF性能。

　　4　RFID標籤天線的類別和研究現狀

　　標籤天線主要分為3大類：線圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或將金屬線纏繞在磁心上;偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成，信號從中間的兩個端點饋人，天線的長度決定頻率範圍;縫隙型天線是由金屬表面切出的凹槽構成，其中微帶貼片天線由一塊末端帶有長方形的電路板構成，長方形的長寬決定頻率範圍。

　　識別距離小於1m的中低頻近距離應用系統的RFID天線一般採用工藝簡單、成本低的線圈型天線;1I1以上的高頻或微波頻段的遠距離應用系統需要採用偶極子和縫隙型天線。

　　4.1 線圈型天線

　　當標籤線圈天線進入讀寫器產生的交變磁場中，標籤天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似於變壓器。兩者的線圈相當於變壓器的初級線圈和次級線圈。

　　標籤和讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是當要求標籤天線線圈外形很小，即面積小，且需一定的工作距離，RFID標籤與讀寫器問的天線線圈互感量(就明顯不能滿足實際需求，可以在標籤天線線圈內部插入具有高導磁率的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補償線圈橫截面小的問題」。目前線圈型天線的實現技術已很成熟，廣泛地應用在身份識別、貨物標籤等RFID系統中，但是對於頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應用場合，採用線圈型天線難以實現相應的性能指標。

　　4.2 偶極子天線

　　偶極子天線具有輻射能力好、結構簡單、效率高的優點，可以設計成適用於全方位通信的RFID系統，被廣泛應用於RFID標籤天線的設計，尤其是在遠距離RFID系統中。

　　傳統半波偶極子天線的最大問題在於對標籤尺寸的影響，如915MHz的半波偶極子。研究表明，端接的、傾斜的、摺疊的偶極子天線可以通過選擇合適的幾何參數來獲得所需的輸入阻抗，具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優點，性能非常出色，且與傳統半波偶極子天線相比尺寸要小很多，若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器，還能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。已知增加天線的彎折次數有利於在不降低天線效率的情況下減小天線尺寸，那麼，如何在有限的空問下進行「彎折」，「彎折」的具體參數對標籤天線的諧振頻率和輸入阻抗有何影響?怎樣「彎折」的RF效率最高?

　　我們知道。具有分形結構的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點，應用到天線設計上可以實現天線多頻段特性和尺寸縮減特性。國內外對具有分形結構的天線做了大量研究工作，證實了分形結構的天線具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內大幅度提高天線效率網。

　　對半波振子的不同位置和維度使用Hilbert分形變換，並用矩量法對Hilbert標籤天線進行仿真，能得到標籤天線的諧振頻率和輸入阻抗隨分形維數和階數不同的仿真結果，分析結果中的天線增益和效率，判斷哪種維度和階數的標籤天線最符合實際標籤天線的設計要求，進一步製作實體天線，並測試RF識別距離，這是常用的研究方法。

　　4.3 縫隙(包括微帶貼片)型天線

　　縫隙天線具有低輪廓、重量輕、加工簡單、易於與物體共形、批量生產、電性能多樣化、寬帶與有源器件和電路集成為統一的組件等特點，適合大規模生產，能簡化整機的製作與調試，從而大大降低成本。

　　微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質基片上的輻射貼片導體所構成，根據天線輻射特性，可以設計貼片導體為各種形狀。普遍應用於頻率高於100MHz的低輪廓結構，通常由一矩形或方形的金屬貼片置於接地平面上的一片薄層電介質(稱為基片)表面所組成，其貼片可採用光刻工藝製造，使之成本低，易於大量生產。

　　如前所述，彎折型天線有利於減小標籤天線的物理尺寸，滿足標籤小型化的設計要求。對於縫隙天線來說，同樣可以利用彎折的概念。事實上，彎折縫隙天線適用於高頻微波段的RFID標籤，能有效減小天線尺寸，性能優。具有廣闊的市場前景。研究方法和彎折偶極子天線類似，用矩量法研究縫隙彎折的次數、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對矩形天線諧振特性的影響。

　　彎折縫隙天線，平片大小為LxW，縫隙彎折寬度和高度分別為s和h，縫隙離饋電點中心距離為，下面討論這些參數的變化對縫隙天線的諧振特性、反射係數、天線效率等影響。

　　基於彎折的各參數對縫隙天線性能的影響，可根據實際需要設計UHF射頻識別標籤用的縫隙天線，製作具體的實物天線。可以預計，彎折縫隙天線將是UHF標籤天線設計領域比較看好的發展方向。

　　5　RFID標籤天線的熱點問題

　　在RFID標籤天線的設計中，除了一直很受重視的減小物理尺寸問題，進一步改善小型化後的天線帶寬和增益特性以擴展其實際應用範圍，分析小型化天線的交叉極化特性以明確其極化純度也是重要的研究方向，另外，覆蓋各種頻率的複合天線設計，多標籤天線優化分布技術，讀寫器智能波束掃描天線陣技術，設計仿真軟體和平臺，標籤天線和附著介質匹配技術，一致性抗幹擾性和安全可靠性技術等都是值得繼續研究的內容。

　　其中，片上天線技術是近期研究的熱點問題。RFID技術應用領域的不斷擴展，使RFID標籤對小型化、輕量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不斷提高，然而目前的RFID標籤仍然使用片外獨立天線，其優點是天線Q(品質因素)值較高、易於製造、成本適中。缺點是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標籤形式植入動物體內等任務。若能將天線集成在標籤晶片上，無需任何外部器件即可進行工作，將會使整個標籤體積更小、使用更方便，這就引發了片上天線技術的研究。

　　把天線集成到片上，不僅簡化了原有的標籤製作流程，降低了成本，還提高了可靠性。片上天線作為能量接收器和信號傳感器決定了整個系統的性能，它的基本出發點是利用法拉第電磁感應原理。把外界變化的磁場能量轉化為片上的電源電壓，作為整個晶片的工作電源，同時利用電磁場變化引起的片上電流或電壓的變化來鑑別接收信號。通過改變由於自身輸出阻抗導致的外界磁場變化而把信號傳輸至接收端。迄今為止，在標準CMOS工藝上實現的片上天線仍然以矽基集成螺旋電感作為主要結構。

　　除了RFID標籤內部的設計，例如RFID智能平臺(smarttable)天線等領域的研究也日漸受到重視。