RFID天线基础知识

2010-5-13RFID天线基础知识一、RFID系统组成二、天线基础知识2010-05-13alay2010-5-13一、RFID系统的基本组成部分v最基本的RFID系统由三部分组成：v标签(Tag)：由耦合组件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；v阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；v天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。2010-5-13RFID无线识别电子标签基础介绍v无线射频识别技术（RadioFrequencyIdenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。2010-5-13vRFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Activetag)、无源电子标签(Passivetag)和半无源电子标签(Semi—passivetag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签(Semi—passivetag)部分依靠电池工作。2010-5-13v电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。vRFID阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。2010-5-13RFID工作原理和相关原理知识v其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。电子标签与阅读器之间通过耦合组件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。2010-5-13发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：v(1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。v(2)电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。2010-5-13v电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。v电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3～l0m。（这里说的高低频定义不同，不需要太计较）2010-5-13两种耦合模型电感耦合模型电磁反向散射耦合型2010-5-13二、天线基础知识1、RFID天线知识2、天线基本概念3、RFID标签天线读距问题2010-5-131、RFID天线知识标签天线设计时考虑的因素：v1、天线的形状或类型。v2、天线的阻抗（即芯片的选择）v3、应用到物品上的RF特性v4、在有其他的物体周围绕贴标签物品时的RF性能2010-5-13注释：v所谓的应用到的物品上的RF特性，是指比如金属环境下，用HF和UHF标签天线比较①HF标签天线可在天线底部加上一定厚度的铁氧体材料，从而减弱金属环境的影响②UHF标签天线，如果应用环境为金属表面，则在设计时完全可以把金属环境考虑进模拟环境中去进行仿真设计。甚至，这样得到的设计结果，会比应用于非金属环境的标签读取距离更远。2010-5-13没反射板时的E面方向图带反射板时的E面方向图金属板就可以充当反射板的作用，从而提高天线增益，但同时牺牲掉了全向性，成为定向天线。2010-5-132、天线基本概念v①方向图v②波束宽度v③旁瓣v④增益v⑤极化方式、驻波比、天线带宽、阻抗2010-5-13①方向图v发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。v垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）。图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。2010-5-13方向性定义：E面：指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。H面：指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量的平面。2010-5-13②波束宽度v主瓣宽度定义：指方向图主瓣上两个半功率点(即场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点)之间的夹角。v主瓣宽度有时又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为和。2010-5-13波束宽度2010-5-13水平波瓣3dB宽度（3dBBeamwidthHorizontal）v定向天线：30°/65°/90°/105°/120°全向天线：360°2010-5-13③旁瓣旁瓣主瓣E面方向图三维方向图旁瓣，也就是所谓的副瓣就标准的半波对称阵子而言，天线不会产生副瓣，如果是1/4波长对称阵子，则会产生副瓣，所以，从能量方面来讲，天线设计都选择半波对称阵子，让能量尽量集中。2010-5-13注释v半波对称阵子：如图所示天线有两臂，每臂长1/4个波长，波长计算公式：光速=波长*频率（自由空间）13.56M波长：22m900M波长：333mm2010-5-13④增益Ø天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号，天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚束以后比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值，显然增益与天线的方向图有关。方向图中主波束越窄，副瓣尾瓣越小，增益就越高。可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。2010-5-13几个有用的增益表示含义vdB，dBm，dBi，dBuvvdB：仅仅是个相对值，dB＝10log（P1/P2），比如A基站的发射功率是600mw，B基站是300mw，那么A基站比B基站发射功率高10lg（600/300）＝3dB，从公式中可以看出dB是表征两个功率的相对值，是没有单位的。dB是一个无单位的量纲。vdBm：是一个考证功率绝对值的值，公式为dBm=10lg(功率/1mW)，如我们常用的基站是500mw，换算成dBm就是10lg(500mW/1mW)＝27dBm（意思是27dB毫瓦）。还有一个单位dBW是将公式中的1mW改成1W，其他都一样。1W=30dbm;1mw=0dbm，1W＝0dbW2010-5-13dBi：前面已解释过，表征相对值，dBi是天线增益的概念，不是具体单位，i是isotropic（各向同性）简写。实际上就是dB。dBuV：和dBm相同的概念。我们在场强仪和手机测试模式上看到的基站场强单位都是它，和dBm的关系是：dBm：10lg(功率/1mW)；dBuv:20lg(电压/1uv)，功率＝电压的平方/50欧姆（如果端口阻抗是50欧姆，一般系统都是）所以：dBuv=dBm+107dB一标准的偶极子天线，其增益为2.15dB，所以，一般设计出的标签天线，其增益不可能大于2.15dB2010-5-13⑤极化v天线的极化定义为：在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射电磁波的极化。v极化方式：线极化、圆极化vRFID读卡器天线一般采用的是圆极化方式，为了达到更大的读取距离，也有采用线极化方式的。标签天线一般为线极化方式。2010-5-13驻波比v天线驻波比表示天馈线与收发信机匹配程度的指标（RFID标签中可以理解为表示标签天线与标签的匹配程度）vVSWR=(1+Γ)/(1-Γ)(Γ反射系数)vΓ=(VSWR-1)/(VSWR+1)vRL(回波损耗）=-20lgΓ=-10lg(反射功率/入射功率）v反射系数Γ^2=反射功率/入射功率2010-5-1350ohmsReturnLoss：10log(10/0.5)=13dBΓ^2=0.05;VSWR=1.56前向:10W反向:0.5W9.5W以传统天线为例，如上图所示在工程应用中，一般要求，VSWR小于1.5就行了VSWR理想值为1，表示完全匹配，无损耗。2010-5-13阻抗天线可以看做是一个谐振回路。一个谐振回路当然有其阻抗。我们对阻抗的要求就是匹配，和天线相连的电路必须有与天线一样的阻抗。和天线相连的是馈线，天线的阻抗和馈线必须一样，才能达到最佳效果。v输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的v基本天线，其输入阻抗为Zin=73.1＋ｊ42.5(欧)2010-5-13vRFID标签天线中，比如NXPG2XM芯片，其阻抗为24-j195Ω，则理想状态下，天线设计阻抗应为24+j195Ω才会匹配（不考虑其他因素情况下）v阻抗匹配与反射系数密切相关2010-5-13带宽v无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义------v一种是指：在驻波比SWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；v一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。v在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。v一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。2010-5-13带宽的表示种类v天线带宽的表示方法通常有三种：v(1)绝对带宽：指天线能实际工作的频率范围，即上下限频率之差v(2)相对带宽：它由上下限频率之差与中心频率之比来表示v(3)比值带宽：指上下限频率之比，即。如10:1的带宽2010-5-13v绝对带宽不具保密性，对外界一般不用。一般多采用后两种带宽表示。对中等及以下带宽的天线，可采用相对带宽表示；对超带宽天线则可采用比值带宽。2010-5-133、RFID标签天线读距问题2max(1)4ttrthPGGsrPlp-=超高频电子标签读取距离计算公式2010-5-13v为芯片最小促发功率，v为阅读器发射功率，v为阅读器天线增益，v为标签天线增益2max(1)4ttrthPGGsrPlp-=thPtPtGrG2010-5-13v从前面的公式可以看出来，如果所选择的芯片固定，读卡器固定，那么就只能通过增加标签天线的增益来增加读距。（天线与芯片都匹配的情况下）v但是，标准的半波对称天线其增益为2.15dB，所以，若设计出的为全向天线，其增益一般不会大于2.15dB。而标签天线的增益，同时也与天线的尺寸相关，标签天线越小，其增益就越小。v所以，相同尺寸的天线，就只能通过设计良好的匹配来达到更远的读取距离。2010-5-1313.56M读取距离问题v在13.56M电子标签中，读取距离通常要求并没必要那么远。v影响HF电子标签读取距离的因素（除读卡器功率外）：v1、Q值大小v2、天线尺寸v3、标签芯片最小激活磁场v4、天线设计频率2010-5-13v一般来说，Q值越大，读取距离越远v一般来说，天线尺寸越大，读取距离越远v一般来说，标签芯片要求的最小激活磁场越小，读取距离就越远v一般来说，天线设计频率越靠近13.56M，其读取距离就越远v前面的激活磁场，关键看芯片要求的最小激活磁场以及读卡器能提供的最小磁场，理论上来说，只要读卡器能在多远距离处提供芯片要求的最小磁场，那么该标签就能在此处被读取。2010-5-13v关于HF天线线圈匝数的问题，同等条件下，尽量让天线的寄生电容小，也就是可以采取尽量多的线圈匝数来提高电感，而不是通过提高电容来达到降低频率的效果。这样可以一定程度上提高Q值。v总之一句话，在设计HF标签天线时，考虑的是：能工作是可