UHF-RFID系统天线国内外发展现状

UHFRFID系统天线国内外发展现状XXX2011-7-311.研究意义射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）技术是一种自动识别技术，它是利用无线射频信号，通过读写器（Reader）、天线和安装在载体上的标签（Tag），形成RFID系统，实现对载体的非接触的识别和数据信息交换[1]。RFID技术具有很多优势[1]：可以定向或不定向的远距离读取或写入数据；无需对识别目标可见；可识别高速物体；可工作于恶劣环境等[2-5]。RFID技术已被广泛运用于工业制造、商业和交通管理、身份识别以及防伪和军事安全等众多领域。例如，在国外，世界零售商巨头沃尔玛百货公司宣布，到2005年底截止，所有供应沃尔玛百货的商品包装箱上，都要有应用RFID技术的电子商品条形码，沃尔玛百货预期能用新技术进一步降低成本，尤其是减少与库存流程相关的物流失控并降低人力成本；今年03月，一套RFID邮政系统在韩国成功的完成了测试，使邮件投递整个过程完全自动化，从接受邮件到分类到配送，IDTechEx公司估计，RFID系统包括标签的全球市场到2018年将达到25亿美元。在国内，北京首都机场新航站楼已经建设了世界上最先进的基于RFID技术的行李传输系统，旅客的信息和行李的目的地信息会在毫秒间预写入标签中；京津城际列车已经实现公交化运营，旅客使用基于RFID的射频卡(快卡通)实现直接刷卡上车随到随走；在已经成功举行的北京奥运会和上海世博会中也大规模应用了RFID技术；重庆不停车收费系统已于2010年05月试行，车辆的通行量增加近四倍[6]。RFID技术最终将在全球形成一个巨大的产业，值得各个领域加以关注，RFID技术被誉为21世纪改变人类生活的十大最重要的技术之一[1]。天线是构成无线通信系统的空中接口，是影响无线通信系统可靠性等性能的关键因素之一，设计合适的天线使其满足系统性能指标的要求是非常重要的。RFID系统中的天线主要由读写器天线（ReaderAntenna）和标签天线（TagAntenna）组成。电子标签和读写器通过各自的天线构建起二者之间非接触信息传输通道。无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线。一方面，无源的射频标签芯片（TagChip）要启动电路工作需要通过标签天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了射频标签与读写器之间的通讯信道和通讯方式。天线在射频标签与读写器实现数据通讯过程中起到了关键的作用。RFID系统的最大识别距离、识别灵敏度、通信质量等重要性能参数与其天线性能的好坏有着直接的关系。因此，天线也是RFID系统中关键部件之一，展开对RFID系统天线的研究对推动RFID系统性能的提高及其产业的快速发展具有重要意义和实际应用价值。作为平板天线的代表，微带天线自问世以来，以其重量轻、低剖面、易于实现圆极化、易于共形、易于与有源器件和电路集成等一系列优点[7]被广泛运用于RFID读写器天线和标签天线的设计。但是微带天线本身是一种谐振结构，故当其应用于RFID系统时，其结构尺寸通常都比较大，不能满足小型化的要求。但是一些特殊形式的微带天线虽然具有较小的物理尺寸，但是其一些主要的电性能指标（如增益、带宽、方向图等）却不能达到要求。对于RFID系统，要求其读写器天线为圆极化以降低极化损耗，这给读写器天线的设计带来了更大的挑战。对于标签天线，需要与标签芯片共轭匹配以实现最大的能量传输，但由于标签芯片的低阻抗和高容性电抗产生高Q值而使得其难于与标签天线实现宽带匹配[8]。另外，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[9]。尤其是当标签靠近或者粘贴在金属物体时，标签天线的性能会急剧恶化，所以对标签天线的抗金属性研究具有重要意义。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。不同国家的RFID系统频率标准都不相同，覆盖了840MHz~960MHz的频率范围，目前基本还没有覆盖以上频率范围的小型化、高性能的读写器天线和标签天线。所以要实现兼容全世界频率标准的小型化、高性能RFID系统天线存在很大的技术挑战，具有重要的研究意义。在本项目中，我们将以“小型化”和“高性能”为出发点，重点研究兼容全世界频率标准的应用于RFID系统的阅读器天线和标签天线。在注重缩小天线尺寸的同时，保持天线在增益、带宽、圆极化带宽等方面的优良性能，探寻既突破传统微带天线物理制约，又保持优良辐射特性的阅读器天线和标签天线构造机理和实现方法。该项目一方面为RFID系统提供实用的小型化、高性能的阅读器天线和标签天线，另一方面也推动当前宽带小型化天线设计技术的快速发展，因而兼备重要的理论研究价值和工程应用前景。2.国内外研究现状分析当前的RFID系统主要集中在低频、高频（13.56MHz）、超高频和微波频段，其中低频和高频RFID由于其技术门槛低，发展较早，技术成熟，产品成本低，使得这两个频段的产业得到充分发展，例如第二代居民身份证、教育部学生购票优惠卡、公交卡等。然而，对于超高频和微波频段，由于频率升高使得射频前端和天线的研发产生困难，所以目前超高频段和微波频段的RFID技术还不成熟。所以，本项目主要针对超高频UHF频段展开对“小型化”、“高性能”的兼容全世界频率标准的RFID系统阅读器天线和标签天线的研究，具有重要的理论研究价值和工程应用背景。2.1阅读器天线研究现状分析目前，对RFID天线的研究主要集中在标签天线上，而对读写器天线的研究相对较少，对小型化、高性能的读写器天线就研究得更少。RFID读写器天线多采用具有尺寸小、成本低、易实现圆极化、小型化等优点的微带天线形式。读写器天线主要功能是发射带有信息的能量给不同位置的标签，并且接收由标签回传的信息。由于电子标签天线的极化方式是线极化，且电子标签的放置方向具有任意性，所以要求读写器天线可以接收任意方向的线极化波，同时读写器天线辐射的电磁波能够被任意方向、任何极化方式的标签天线接收，这就要求阅读器天线必须产生圆极化辐射。由于全球RFID系统标准的频率范围覆盖了840MHz~960MHz，带宽较宽，这给需要辐射圆极化波的读写器天线带来更大的困难。另外，为了适应RFID系统的小型化要求，必须缩小阅读器天线的尺寸，这又带来了天线小型化与高性能（宽频带、高增益等）的矛盾。目前国内对UHF频段的读写器天线进行了一定的研究，但是多数都采用的线极化天线，未考虑读写器天线圆极化这一重要特点，而且天线尺寸较大，没有完全覆盖840MHz~960MHz频率范围。例如，李秀萍等人设计了用于超高频和微波频段的双频天线，没有考虑圆极化，尺寸为230mm×155mm×29.2mm[10]；李书芳等人提供了一种采用双馈电的、工作在840MHz~845MHz和920MHz~925MHz频率范围的双频圆极化天线，尺寸为173mm×173mm×12.9mm[11]；胡汝刚在文献[12]中考虑了天线的圆极化，设计了一种低成本小型化读写器天线，增益为-1dBi时天线尺寸为90mm×90mm×3mm,可应用于读取距离要求不高的手持读写器中；房少军等人通过水平蜿蜒板馈电技术以及叠层切角平板配置，使得天线圆极化频带覆盖了840MHz~960MHz、输入电压驻波比小，适合全球任何一个国家或地区的超高频RFID系统的应用[13]。国外对UHFRFID阅读器天线的研究相对较多，基本都考虑了圆极化特性，大多数都是针对特定国家或地区的RFID频率标准进行的设计和研究。如ShinChulKim等人针对日本设计了一种新型垂直地面的UHF频段RFID读写器天线，引入垂直地面后天线的谐振频率降低了25%，小型化后的天线尺寸为100mm×100mm×13mm[14];Nasimuddin等人针对韩国设计了一种对角开槽的UHF频段读写器天线，天线尺寸为90mm×90mm×4.8mm[15]。对于宽带RFID阅读器天线，国外有一定的研究，但是其尺寸都相对较大。如文献[16]中，陈志宁（ZhiNingChen）等研究了一种由两个堆叠切角贴片和有连接开路终端的悬浮微带线组成的阅读器天线，该天线圆极化带宽覆盖了全球RFID通用频段，增益高于8dBi，性能较好，其尺寸为250mm×250mm×35mm；DongminShin等人采用Wilkinson功分器作为馈电网络设计了工作于840MHz~960MHz和2.35GHz~2.55GHz的双频读写器天线，其尺寸为200mm×200mm×20mm[17]。由此可见，国内对于兼容全世界UHF频段的RFID读写器天线研究较少，几乎没有考虑读写器圆极化的要求，而且尺寸较大；国外对于读写器天线的研究较多，也有能够覆盖840MHz~960MHz的宽带圆极化读写器天线，但是它们的尺寸依然较大。也就是说，目前同时满足小型化且具有宽带圆极化特性的“高性能”读写器天线的研究还很少，所以本项目展开对小型化、高性能的读写器天线研究具有重要的意义和实用价值。2.2标签天线研究现状分析标签天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细地设计标签天线与标签芯片的阻抗匹配。由于标签芯片的低阻抗和高容性电抗产生高Q值而使得其难于与标签天线实现宽带匹配，当工作频率增加到超高频或微波频段时，天线与标签芯片之间的宽带匹配问题变得更加严峻。一直以来，天线的开发基本都是基于50欧姆或75欧姆输入阻抗。而在RFID系统中，芯片的输入阻抗可以是任意值，而且是实部很小虚部很大的复阻抗，标签天线必须与该复阻抗共轭匹配，所以导致标签天线的测试也存在很大的困难。另外，不同于其它天线，标签天线需要粘贴或者靠近被标识的物体上，使得物体对天线的性能有较大的影响。尤其是当天线粘贴于金属表面时，如集装箱识别、列车识别等，金属会反射读写器发射的电磁波，可能导致对标签内的信息读取失败，所以对标签天线的抗金属性研究非常重要。所以，小尺寸、宽频带、抗金属等要求对标签天线的设计带来极大的挑战。目前国内已经对超高频RFID标签天线进行了大量的研究，但多数都以偶极子天线为原型，通过弯折处理来缩小天线尺寸。王琪等研究了对于天线高度和和宽度有尺寸限定的情况通过改变弯折角、弯折次数以及弯折深度是降低天线谐振频率从而实现天线小型化行之有效的途径，弯折偶极子天线与半波偶极子相比具有更好的尺寸缩减性[18,19]。但是采用偶极子天线为原型的标签天线，由于没有接地板，几乎不具有抗金属能力。所以对于抗金属的标签天线必须具有接地板，以减小地板对标签天线性能的影响。目前国内对抗金属的标签天线已经有了一定的研究，如文献[20]中，莫凌飞等人采用嵌入开路枝节的微带天线实现了工作频率为900MHz~940MHz的抗金属标签天线，其尺寸为105mm×21mm×3mm；胡斌杰等人采用铁氧体磁性材料为介质基板，利用铁氧体材料吸收电磁波的能力强，反射、折射、透射都很小的特点，减少金属板对入射波的反射，使其具有抗金属特性，能够工作于860MHz~960MHZ频率范围[21]。虽然这些天线都具有抗金属特性，但是其尺寸都比较大，剖面较高，同时覆盖840MHz~960MHZ的宽带小型化标签天线仍然很少见。国外对UHFRFID标签天线也进行了大量的研究，尤其是对小型化的偶极子天线研究相对较成熟[22~24]。文献[22]中采用弯折偶极子天线的形式设计了尺寸仅有30mm×30mm×1.6mm的UHFRFID标签天线。但这些天线都存在带宽小、增益低、不具有抗金属特性的缺点。对于抗金属的标签天线国外也进行了大量的研究，如文献[25]中，ByunggilYu等人采用电感耦合馈电的微带天线形式实现了工作于北美(902MHz~928MHz)频段的抗金属标签天线；Hae-WonSon等人采用耦合馈电的微带天线形式实现了带宽为49MHz的抗金属标签天线[26]；Horng-DeanChen等人在文献[27]中采用弯折的微带线形式实现了覆盖840MHz~960MHz的宽带抗金属UH