45物联网核心技术研究

第6章RFID中的天线技术天线技术对RFID系统十分重要，是决定RFID系统性能的关键部件。RFID天线可以分为低频、高频、超高频及微波天线，每一频段天线又分为电子标签天线和读写器天线，不同频段天线的结构、工作原理、设计方法和应用方式有很大差异，导致RFID天线种类繁多、应用各异。在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线。微波RFID天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等，同时微波RFID的电子标签较小，天线要求低造价、小型化，因此微波RFID出现了许多天线制作的新技术。为适应世界范围电子标签的快速应用和不断发展，需要提高RFID天线的设计效率，降低RFID天线的制造成本，因此RFID天线大量使用仿真软件进行设计，并采用了多种制作工艺。天线仿真软件功能强大，已经成为天线技术的一个重要手段，天线仿真和测试相结合，可以基本满足RFID天线设计的需要。RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，天线制作的新工艺可使RFID天线制作成本大大降低，走出应用成本瓶颈，并促进RFID技术进一步发展。6.1RFID天线的应用及设计现状RFID在不同的应用环境中使用不同的工作频段，因此需要采用不同的天线通信技术，来实现数据的无线交换。按照现在RFID系统的工作频段，天线可以分为低频LF、高频HF、超高频UHF及微波天线，不同频段天线的工作原理不同，使得不同天线的设计方法也有本质的不同。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线按方向性可分为全向天线和定向天线等；按外形可分为线状天线和面状天线等；按结构和形式可分为环形天线、偶极天线、双偶极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在低频和高频频段，RFID系统主要采用环形天线，用以完成能量和数据的电感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波频段，RFID系统可以采用的天线形式多样，用以完成不同任务。6.1.1RFID天线的应用现状影响RFID天线应用性能的参数主要有天线类型、尺寸结构、材料特性、成本价格、工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、波瓣宽度、阻抗问题和环境影响等，RFID天线的应用需要对上述参数加以权衡。1．RFID天线应用的一般要求（1）电子标签天线。一般来讲，RFID电子标签天线需要满足如下条件。RFID天线必须足够小，以至于能够附着到需要的物品上。RFID天线必须与电子标签有机地结合成一体，或贴在表面，或嵌入到物体内部。RFID天线的读取距离依赖天线的方向性，一些应用需要标签具备特定的方向性，例如有全向或半球覆盖的方向性，以满足零售商品跟踪等的需要。RFID天线提供最大可能的信号给多种标签的芯片。无论物品在什么方向，RFID天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配。RFID天线具有应用的灵活性。电子标签可能被用在高速的传输带上，此时有多普勒频移，天线的频率和带宽要不影响RFID工作。电子标签在读写器读取区域的时间很少，要求有很高的读取速率，所以RFID系统必须保证标签识别的快速无误。RFID天线具有应用的可靠性。RFID标签必须可靠，并保证因温度、湿度、压力和在标签插入、印刷和层压处理中的存活率。RFID天线的频率和频带。频率和频带要满足技术标准，标签期望的工作频率带宽依赖于标签使用地的规定。RFID天线具有鲁棒性。RFID天线非常便宜。RFID标签天线必须是低成本，这约束了天线结构和根据结构使用的材料。标签天线多采用铜、铝或银油墨。（2）读写器天线。读写器天线即可以与读写器集成在一起，也可以采用分离式。对于远距离系统，天线和读写器采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。读写器天线设计要求低剖面、小型化。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展。读写器天线设计要求多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。目前国际上已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵。2．RFID天线的极化不同的RFID系统采用的天线极化方式不同。有些应用可以采用线极化，例如在流水线上，这时电子标签的位置基本上是固定不变的，电子标签的天线可以采用线极化方式。但在大多数场合，由于电子标签的方位是不可知的，所以大部分RFID系统采用圆极化天线，以使RFID系统对电子标签的方位敏感性降低。3．RFID天线的方向性RFID系统的工作距离，主要与读写器给电子标签的供电有关。随着低功耗电子标签芯片技术的发展，电子标签的工作电压不断降低，所需功耗很小，这使得进一步增大系统工作距离的潜能转移到天线上，这就要求有方向性较强的天线。如果天线波瓣宽度越窄，天线的方向性越好，天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。4．RFID天线的阻抗问题为了以最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，天线设计多采用50或75的阻抗匹配，但是可能还有其他情况。例如，一个缝隙天线可以设计几百欧姆的阻抗；一个折叠偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的几倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个40～100的阻抗范围。5．RFID的环境影响电子标签天线的特性，受所标识物体的形状和电参数影响。例如，金属对电磁波有衰减作用，金属表面对电磁波有反射作用，弹性衬底会造成天线变形等，这些影响在天线设计与应用中必须加以解决。以在金属物体表面使用天线为例，目前有价值的解决方案有两个，一个是从天线的形式出发，采用微带贴片天线或倒F天线等，另一个是采用双层介质、介质覆盖或电磁带隙等6.1.2RFID天线的设计现状在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线的设计要求和面临的技术问题是不同的。1．RFID电子标签天线的设计电子标签天线的设计目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细设计天线和自由空间的匹配，以及天线与标签芯片的匹配。当工作频率增加到微波波段，天线与电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，电子标签天线的开发是基于50或者75输入阻抗，而在RFID应用中，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，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。电子标签天线的设计还面临许多其他难题，如相应的小尺寸要求，低成本要求，所标识物体的形状及物理特性要求，电子标签到贴标签物体的距离要求，贴标签物体的介电常数要求，金属表面的反射要求，局部结构对辐射模式的影响要求等，这些都将影响电子标签天线的特性，都是电子标签设计面临的问题。2．RFID读写器天线的设计对于近距离RFID系统（如13.56MHz小于10cm的识别系统），天线一般和读写器集成在一起；对于远距离RFID系统（如UHF频段大于3m的识别系统），天线和读写器常采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆将读写器和天线连接到一起。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，并且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展，使得读写器天线的设计面临新的挑战。读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及天线阵的设计问题，小型化带来的低效率、低增益问题等，这些目前是国内外共同关注的研究课题。目前已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，通过智能天线使系统能够感知天线覆盖区域的电子标签，增大系统覆盖范围，使读写器能够判定目标的方位、速度和方向信息，具有空间感应能力。3．RFID天线的设计步骤RFID电子标签天线的性能，很大程度依赖于芯片的复数阻抗，复数阻抗是随频率变换的，因此天线尺寸和工作频率限制了最大可达到的增益和带宽，为获得最佳的标签性能，需要在设计时做折衷，以满足设计要求。在天线的设计步骤中，电子标签的读取范围必须严密监控，在标签构成发生变更或不同材料不同频率的天线进行性能优化时，通常采用可调天线设计，以满足设计允许的偏差。设计RFID天线时，首先选定应用的种类，确定电子标签天线的需求参数；然后根据电子标签天线的参数，确定天线采用的材料，并确定了电子标签天线的结构和ASIC封装后的阻抗；最后采用优化的方式，使ASIC封装后的阻抗与天线匹配，综合仿真天线的其他参数，让天线满足技术指标，并用网络分析仪检测各项指标。RFID电子标签天线的设计步骤如图6.1所示。很多天线因为使用环境复杂，使得RFID天线的解析方法也很复杂，天线通常采用电磁模型和仿真工具来分析。天线典型的电磁模型分析方法为有限元法FEM、矩量法MOM和时域有限差分法FDTD等。仿真工具对天线的设计非常重要，是一种快速有效的天线设计工具，目前在天线技术中使用越来越多。典型的天线设计方法，首先是将天线模型化，然后将模型仿真，在仿真中监测天线射程、天线增益和天线阻抗等，并采用优化的方法进一步调整设计，最后对天线加工并测量，直到满足要求。6.2低频和高频RFID天线技术在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线，线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以耦合到另一个线圈，因此读写器天线与电子标签天线之间采用电感耦合的方式工作。读写器天线与电子标签天线是近场耦合，电子标签处于读写器的近区，当超出上述范围时，近场耦合便失去作用，开始过渡到远距离的电磁场。当电子标签逐渐远离读写器，处于读写器的远区时，电磁场将摆脱天线，并作为电磁波进入空间。本节所讨论的低频和高频RFID天线，是基于近场耦合的概念进行设计。6.2.1低频和高频RFID天线的结构和图片低频和高频RFID天线可以有不同的构成方式，并可以采用不同的材料。图6.2所示为几种实际RFID低频和高频天线的图片，由这些图片可以看出各种RFID天线的结构，同时这些图片还给出了与天线相连的芯片。由图6.2可以看出，低频和高频RFID天线有如下特点。（1）天线都采用线圈的形式。（2）线圈的形式多样，可以是圆形环，也可以是矩形环。（3）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。（4）有些天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。（5）由天线和芯片构成的电子标签，可以比拇指还小。（6）由天线和芯片构成的电子标签，可以在条带上批量生产。6.2.2低频和高频RFID天线的磁场安培从实验中总结出，电流在周围产生了磁场。电流周围磁场的存在方式，与电流的分布有关，不同的电流分布，在周围会产生不同的磁感应强度。1．直线周围产生的磁场根据安培定律，长直电流周围将产生磁场强度，磁场强度为：磁感应强度与磁场强度的关系为：式（6.2）中，（亨/米），称为真空中的磁导率；称为相对磁导率，用来描述媒质的参数。长直电流周围产生的磁场如图6.3所示。2．圆形线圈周围产生的磁场很多低频和高频RFID天线是圆环结构，采用了短圆柱形线圈，短圆柱形线圈在周围产生的磁场为：式（6.3）中，R为线圈的半径，Z为在线圈中心轴线上距线圈圆心的距离，I为圆形线圈上的电流，N为圆形线圈的圈数。短圆柱形线圈的结构和在周围产生的磁场如图6.4所示。短圆柱形线圈周围的磁场有如下特点。（1）磁场与线圈的圈数有关，线圈的圈数越大，磁场越强。一般低频线圈的圈数较多，有几百至上千圈；高频线圈的圈数较少，有几至几十圈。（2）当被测点沿线圈轴离开线圈时，如果，磁场的强度几乎不变。当Z=0时，磁场的公式简化为：（3）当被测点沿线圈轴离开线圈较大时，即时，磁场强度的衰减与Z的三次方成比例，衰减比较急剧，衰减约为60dB/10倍距离。这时磁场的公式简化为3．矩形线圈周围产生的磁场有些低频和高频RFID天线是矩形线圈结构，当被测点沿线圈轴离开线圈Z时，矩形线圈结构在轴线产生的磁场为式（6.6）中，a和b为矩形线圈的两个边长，Z为在线圈中心轴线上距线圈中心的距离，i为矩形上线圈的电流，N为矩形线圈的圈数。计算结果证实，当被测点沿线圈轴Z离开线圈时，如果及，即在与线圈的距离较近时，磁场的强度几乎不变。当被测点沿线圈轴离开线圈较大时，磁场强度的衰减比较急剧。6.2.3低频和高频RFI