金属表面超高频RFID标签天线设计

一种金属表面超高频RFID标签天线设计摘要：无线射频识别(RFID)系统主要由RFID读写器和电子标签组成。近年来，RFID技术已经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。在很多应用中，RFID标签应用与金属表面，但是，具有类偶极子天线的普通无缘超高频RFID标签应用于金属表面时，其阻抗匹配，辐射效率，核辐射方向图都会发生改变，从而导致标签的性能变差，设置不能被有效读取。为解决超高频RFID标签应用于金属表面的问题。本文先分析应用于金属表面性能恶化的原因，介绍现有对抗金属表面的天线研究，在针对实际应用提出超高频RFID抗金属标签天线的设计。关键词：射频识别，超高频，标签，天线，金属表面，抗金属Abstract：Radiofrequencyidentification(RFID）intheultra-high-frequency(UHF)bandhasgainedinterestinsupplychainmanagementandtrafficmanagementbecauseofitslongreadrange.Inmanyapplications,RFIDtagsneedtobeattachedonthesurfaceofmetallicobjects.However,itisachallengeforlabeltypepassiveUHFRFIDtagswithdipole-likeantennastobemountedonthesurfaceofmetal.Thisessayfirstanalyzedthecauseoftheperformancedeteriorationofthetagplacednearthemetallicobjects,andtheexistingresearchagainstthemetalsurfaceoftheantenna,inthepracticalapplicationforthedesignofantimetalUHFRFIDtagantennaisproposed.Keywords:Anti-me，tag,Antenna,Metallic,RFID,Tag,UHF.1.RFID简要1.1RFID技术的系统组成一个典型的RFID系统如图1.1所示。一般包括标签(tag)、阅读器(reader)和应用系统(applicationsystem)三个部分。阅读器通过射频信号给标签提供能量并“询问”标签,标签被激活后将其存储的标签信息发送给阅读器,阅读器再将读取的标签信息发送给应用系统以结合具体的应用背景进行数据的控制、存储及管理。标签一般由标签天线与标签芯片组成。标签天线接收阅读器发射过来的射频信号并转化为能量,获取的能量给标签芯片供电。当获取的能量足够时,标签芯片被激活,并根据阅读器的询问指令完成相应的动作,将芯片上存储的标签信息通过反向散射调制的方法反射给阅读器。每个标签具有唯一的电子编码,用于对附着物体的标识。标签能够贮存有关物体的数据信息,一般约1kbits。在RFID管理系统中,每一个标签中对应着一个物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面,具有一定的无金属遮挡的视角。标签除了能被读取(Read)外,也可以被写入(write)或杀死(kill)。阅读器由阅读器主机及阅读器天线组成。阅读器主机主要实现读取信号的控制及射频信号的产生。产生的射频信号通过阅读器天线发射给标签。标签的反射信号也通过阅读器天线接收,并被阅读器主机解析与识别。阅读器一般有固定式与手持式两种形式。固定式的体积较大,但性能一般比较好;手持式的体积较小,便于手持读取,但性能要差些。至于是采用固定式还是手持式阅读器,需要根据实际应用的需要进行选择。1.2RFID标签分类RFID标签可以按照能量获取的方法来分,也可以按照射频频率来分。按照能量获取的方法不同可以分为无源标签、有源标签及半有源标签;按照射频频率的不同可以分为低频标签、高频标签或超高频标签。超高频无源RFID技术由于读取距离较远、成本较低、读取速率快等诸多优势而被广泛关注。但是,超高频盯ID技术目前许多应用尚不成熟。其原因不完全在于稍高的成本,很大程度上是由于标签对于各种不同商品的适用性以及不同环境的适应性上存在的技术问题造成的。在RFID的应用上没有“千篇一律”的标签,所以开发和生产各种用途的标签是解决问题的关键。其中,金属物体对超高频RFID标签性能的影响很大。超高频RFID抗金属标签是一种专门针对金属物体而使用的无源超高频RFID标签。也称为金属标签、防金属标签或金属附着型电子标签。对于普通无源超高频标签,当其贴在金属表面时,由于标签天线的阻抗匹配、辐射效率、方向性都发生了改变〔20],标签的读取距离迅速降低,甚至难以被读取。因此,需要对其进行特殊处理或采用特殊标签,以使其可以在金属表面应用。一般有三种解决办法:1.采用吸波材料贴于金属表面克服金属的反射效果。2.将标签垫高一定高度,减小金属的边界条件影响。3.采用专门的抗金属标签天线设计方法。超高频RFID抗金属标签天线的设计目标如下:1.标签具有较好的抗金属能力,不受金属边界条件的影响。标签在不同大小的金属物体表面具有稳定的性能。2.标签的性能优良,具有较远的读取距离。超高频RFID技术的优点即在于标签具有较远的读取距离。因此,抗金属标签不能以牺牲读取距离为代价。3.标签的方向性好,最好在金属表面上半球具有全向特性,这样阅读器在不同的角度都能准确读取到标签。4.标签的轮廓小巧。为了满足实际应用的需要,要求标签天线的面积尽可能小,厚度尽可能薄。5.标签的成本低廉。成本低廉一方面要求标签的材料廉价,另一方面要求天线的加工制作工艺简单。天线的加工制作工艺的简单则要求天线具有简单的平面结构。1.3国内外研究现状超高频RFID标签的研究是随着超高频盯ID产业的逐渐成熟而兴起的,主要研究成果集中于近五年的时间内。就研究内容而言,主要集中于超高频盯ID标签芯片的设计、超高频RFID标签的基础理论、超高频RFID标签的性能分析及超高频RFID标签的天线设计。在超高频RFID标签的研究范畴中,超高频RFID抗金属标签的研究引人关注,而且已经成为RFID标签研究的一个热点。超高频RFID抗金属标签的研究主要包括两个部分:一,普通偶极子RFID标签的性能受金属环境的影响;二,满足各种要求的超高频RFID抗金属标签天线的设计。2.金属表面对类偶极子超高频RFID标签的影响分析研究金属物体对标签天线的影响，首先要考虑天线靠近金属时金属表面电磁场的特性。根据电磁感应定理，这时金属表面附近的磁场分布会发生“畸变”，磁力线趋于平缓，在很近的区域内几乎平行于金属表面，使得金属表面附近的磁场只存在切向的分量而没有法向的分量，因此天线将无法通过切割磁力线来获得电磁场能量，无源电子标签则失去正常工作的能力。另一方面，当天线靠近金属时，其内部产生涡流的同时还会吸收射频能量转换成自身的电场能，使原有射频场强的总能量急剧减弱。而上述涡流也会产生自身的感应磁场，该场的磁力线垂直于金属表面且方向与射频场相反并对读写器产生的磁场起到反作用，致使金属表面的磁场大幅度衰减，使得标签与读写器之间通信受阻。另外，金属还会引起额外的寄生电容即金属引起的电磁摩擦造成能源损耗，使得标签天线与读写器失谐，破坏RFID系统的性能。2.1标签天线的性能参数对于超高频RFID标签而言,最大读取距离是其最为重要的性能指标,它指的是标签在标准功率的阅读器测试下能够被读取到的最大距离.由第二章介绍的超高频RFID标签理论基础可知,超高频RFID标签的最大读取距离可以表示为：max4ttrthPGGrP（2.1）其中为自由空间波长,tP为阅读器输出功率,tG为阅读器天线增益,rG为标签天线增益,thP为标签芯片的阂值能量,为标签天线与芯片之间的功率传输系数。如果标签芯片的阻抗为cccZRjX,标签天线的阻抗为aaaZRjX。那么功率传输系数可以表示为:24acacRRZZ，01；（2.2）对于标签天线的增益rG,由增益及方向性的定义可得:rrrGDe（2.3）其中,rD为标签天线的方向性,re为标签天线的辐射效率。对于同一个超高频RFID测试系统,阅读器的输出功率tP、阅读器天线的增益tG、标签芯片的阂值能量tP都不会变化。所以当超高频RFID标签贴在金属附近时,标签的最大读距离主要是受标签天线功率传输系数、标签天线方向性rD及标签天线辐射效率re的影响。因此，可以通过标签天线功率传输系数、标签天线方向性rD及标签天线辐射效率re来定性、定量地分析金属表面对标签性能的影响。2.2性能参数受金属边界的影响当超高频RFID标签贴于金属表面时,导致标签性能变差的主要因素是金属边界条件使得阅读器询问信号的反射波与入射波的相位相反，从而导致能量被抵消,标签难以获得足够的能量激活标签芯片。当入射波垂直于金属表面时,由于反射波与入射波正好相差180,电场分量在金属表面呈驻波分布,如图2.1所示。由图可知,标签与金属边界的距离为零处电场的强度最小,距离为0.25处电场的强度最大。换而言之,当标签直接贴在金属表面时,能够获得的能量几乎为零,而当放在距离金属表面0.25处,能够获得的能量是最大的。因此,当标签天线直接贴于金属表面时,由于边界条件的影响标签天线的辐射效率严重衰减。图2.1除了标签天线辐射效率受到影响外,标签天线的阻抗匹配也会变差,从而导致天线与芯片的功率传输系数减小。天线阻抗的变化一方面是由于天线辐射电阻的减小,另一方面是由于金属表面对天线会产生加感的影响。由金属边界条件导致的辐射效率的减小某种程度上可以采用吸波材料来克服,但金属表面对天线的加感的影响则无法消除。与天线辐射效率及功率传输系数都受到金属边界削弱相比,天线的方向性影响不大。根据基本天线原理,对一个偶极子天线而言,金属表面相当于一个平面反射器。偶极子天线只要不是完全贴在金属表面上,那么天线的方向性或增益比自由空间更高。普通2偶极子天线和金属平面反射器的距离与天线增益的关系如图2.2所示。即使当标签距离金属平面很近,标签的增益也是可观的。由于增益是方向性与辐射效率的乘积,而辐射效率在天线非常靠近金属平面时是很小的,则说明当天线贴近金属平面时,天线的方向性仍然比较大。当标签天线距离金属平面2时,天线的增益减小至零。从电场的驻波分布图可知,天线在距离金属平面2处辐射效率几乎为零。图2.2从天线辐射方向图的角度上来说,偶极子标签天线在金属表面的性能变化也反映在辐射方向图上。金属板越大,天线的主瓣就越窄,而且瓣的数目会随着标签与金属表面的距离增加而增加。如图2.3所示,普通偶极子天线处于金属表面不同高度时天线的辐射方向图是不同的。当天线距离金属表面32与4时,天线都是一个主瓣,且增益都比自由空间大;当天线距离金属表面2时,天线的瓣数变为2,且法线方向上天线的增益衰减比较严重。辐射方向图与天线方向性具有较好的一致性。以上从电磁场及天线的理论分析了普通类偶极子天线置于金属表面及其附近时天线的相关参数(天线辐射效率、功率传输系数及辐射方向图)的变化趋势及原因。但是并没有系统地分析这些参数随着标签与金属表面距离变化的定量关系及对标签性能的影响。也没有给出大约标签垫高一个什么样的高度可以让标签获得一个可以接受的性能。这些定量的变化及关系对于实际工程应用与对于理解标签的性能变化有非常重要的指导作用。因此,接下来将采用两种电磁场仿真的方法定量地分析标签天线的相关性能参数随与金属平面距离的增加而发生的变化,以及对标签最大读取距离的影响。图2.33.无源抗金属的UHFRFID标签天线设计3.1微带贴片天线的结构及工作原理微带贴片天线也称为微带天线，具有低剖面、易加工、成本低等优点，其结构通常由一矩形金属贴片置于金属地上的一层基质的上表面，如图3.1所示，最底层为金属地，金属地的上面是一层基质材料，矩形贴片贴在基质材料的上表面。矩形贴片与基质、