RFID天线

天线与电波传播课程论文2[摘要]近几年，RFID技术应用越来越频繁，其核心技术——RFID天线技术越发炙手可热。本文综合多篇文献及科技新闻，从RFID技术本身、RFID天线的类型、设计过程、制作技术、发展现状和发展趋势等方面对RFID天线技术做了一个较为详细的梳理。[关键词]RFID天线[Abstract]Inrecentyears,RFIDtechnologyusedmoreandmorefrequently.Itscoretechnology--RFIDantennatechnologybecomemoreandmorehot.ThispapercombinemanypapersandtechnologynewsfromRFIDtechnologyitself,thetypeofRFIDantennadesign,productiontechnology,developmentstatusandtrendsoftheRFIDantennatechnologytodoadetailedsort.[keyword]RFIDantenna3目录引言·························41.关于RFID技术本身··················41.1RFID技术的定义·················41.2RFID系统的组成部件···············41.3RFID系统的工作原理···············52.RFID天线类型····················52.1近场天线····················62.2远场天线····················73.RFID天线的设计···················94.RFID天线制作····················104.1三种RFID天线常规制作技术············104.2Walki-4E技术··················114.3模切工艺·····················114.4烫印技术·····················125.RFID天线技术发展现状·················135.1防金属技术····················145.2小型化技术····················145.3新材料······················156.RFID天线技术发展趋势··················167.结束语························16致谢4引言RFID在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间(20世纪40年代),到如今已经有50多年的历史。但是RFID的发展却是在近几年才兴起的，特别是最近一两年，RFID技术得到了迅猛的发展，成功的应用案例比比皆是。[1]行文时，作者首先重新温习课本，浏览多篇文献，打下理论基础，再以此确定行文结构，写作时每到一处便搜索相关部分的最新产品，完成了预期的有结构、有层次、有内容、有新意地介绍RFID天线技术的要求。1.关于RFID技术本身1.1RFID技术的定义RF是“RadioFrequency”的缩写，是具有一定频率的能够用于无线电通信的电磁波，称为无线射频。RFID即“无线射频识别”，是“RadioFrequencyIdentification”的缩写，它实际上是自动识别技术在无线电技术方面的应用和发展。该技术利用射频信号对目标进行非接触性的识别和相关数据的读写。可以实现快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。由于识别工作无需人工干预，不受恶劣环境的影响，且读取速度快，读取信息安全可靠，因此这项技术有着广泛的应用前景。[2]1.2RFID系统的组成部件最基本的RFID系统由电子标签、天线和阅读器组成。1.2.1电子标签（Tag）电子标签中存储有能够识别目标的信息，由耦合元件及芯片组成，有的标签内置有天线，用于和射频天线间进行通信。标签中的存储区域可以分为两个区，一个是ID区——每个标签都有一个全球唯一的ID号码，即UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。另一个是用户数据区，是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。1.2.2天线(Antenna)在电子标签和阅读器间传递射频信号。后文会详细介绍。1.2.3阅读器(Reader)读取(或写入)标签信息的设备，阅读器对标签的操作有三类：识别读取UID，读取用户数据，写入用户数据。51.3RFID系统的工作原理对于被动射频系统，当阅读器遇见RFID标签时，就发出电磁波，在标签周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活微芯片电路，将存储在标签中的信息(UID或用户数据)转换成电磁波，然后发送给阅读器，阅读器再把它转换成相关数据，然后发送给数据传输和处理系统，从而对这些数据进行管理和控制。对于主动射频系统，则是由电子标签主动发送某一频率的电磁波，由阅读器进行读取。[3]图一RFID系统的工作原理图从RFID系统的工作原理不难看出，在RFID卡和读写器进行通信的过程中，天线起到了重要的作用，标签天线的性能对提高系统的性能有着重要的意义。由于标签附着在被标识物体上，标签天线会受到所标识物体的形状及物理特性的影响，如标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射、局部结构对辐射模式的影响等。这些因素给标签天线的设计提出了很高的要求，同时也带来了巨大的挑战。2.RFID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6功与否。2.1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:LC21f(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。iDTRONIC公司最近宣布推出一个新的近场天线和新的货架天线，如图二所示。近场天线型为是A1030，厚度仅有6.5毫米(0.25英寸)，并且专为短距离读取范围的单品级RFID跟踪应用项目而设计，如珠宝、图书馆、零售店、制药和医疗保健。根据iDTRONIC称，该天线具有安装孔，灵活而且便于集成安装，天线罩使用的是具有阻燃功能的KYDEX塑料制成。该类天线具有IP65的防护等级，因此具有防尘防水的功能。[4]7图二IDTronic的A7040货架天线2.2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。2.2.1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。如图三所示：图三曲折型的折合偶极子天线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.8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70N2Ω。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.2.2.2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电介质（基片）表面所构成。如图四所示：图四微带贴片天线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。美国北卡罗来纳州立大学的研究人员近日开发出的一款能被植入可穿戴健康监控设备中的含银纳米线的新型可伸缩天线（如图五），就属于微带贴片天线。为保证天线性能的弹性和有效性，研究人员首先使用模板将银纳米线排列为特定图案，然后在纳米线上铺一层液体聚合物。当聚合物凝固时，便形成了包含预期图案纳米线的弹性复合材料。该图案化材料能构成微带贴片天线的辐射组件。通过调整辐射组件的形状和维度，研究人员可控制天线发送和接收信号时的频率。这种天线可直接集成到传感器中，且这种制备新方法较为简易，能用于大规模生产。[5,6]9图五可植入可穿戴健康监控设备的新型可伸缩天线3.RFID天线的设计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。天线特性也受所贴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,金属物体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10加到超高频区域的时候，天线与标签芯片之