| 标题 | 基于超高频RFID系统的天线技术研究 |
| 范文 | 李楠 摘要：在RFID硬件系统中，读写距离是一个非常重要的参数，而电子标签和读写器天线对读写距离参数有着非常重要的影响。天线设计与选取是超高频RFID无线射频识别硬件系统的重要组成部分，合适的天线是确保RFID系统准确通信的前提与基础。结合实际项目，根据RFID系统与软件设计所要求的物理参量，设计出满足超高频RFID系统要求的天线。 关键词：RFID天线；RFID硬件系统；超高频；电子标签天线 DOIDOI：10.11907/rjdk.151464 中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008004002 0 引言 RFID（无线射频识别，Radio Frequency Identification）最早应用于第二次世界大战时英国空军战斗机的敌我飞机识别系统中。近年来，低频率和高频率RFID射频识别技术商业应用广泛，超高频（840MHz～960MHz）RFID射频识别技术由于射频距离大、准确率高，得到广泛应用[1]。 1 RFID无线识别技术及工作原理 RFID硬件系统主要包含RFID电子标签、阅读器和天线3个部分。本文RFID的实际项目中，RFID电子标签粘贴在被识别服装布料上，当带有RFID电子标签的被识别布料进入可识离范围时，阅读器智能读取RFID电子标签中的信息，完成无线识别。 阅读器由阅读器和天线两部分组成。阅读系统将两者集成在一个设备单元模块中。阅读器通过阅读器天线发送指令给RFID电子标签，并接收RFID电子标签反馈的信息。完成处理信号后，读取RFID电子标签信息，数据通过互联网和数据管理系统连接。数据管理系统主要用于数据存储与管理。 RFID的工作原理为：读写器通过天线发送一定频率的射频信号，RFID电子标签进入磁场，产生感应电流从而获得能量，再向读写器发送吱声编码信息，读写器采集信息后解码，将信息送到计算机进行处理。RFID射频识工作过程如图1所示。 2 RFID重要性能指标 2.1 辐射场振幅与方向的关系 实际辐射具有方向性的，天线也不例外。可用曲线图表示出辐射振幅与方向的关系，即通常意义上的振幅方向图，是空间中某点的场强与同方向最大场强的关系曲线图。通常情况下，如特殊标注，振幅方向图均作归一化处理。归一化后的振幅方向图是指某一方向上的场强与相同距离的最大场之比的关系曲线方向图。 2.2 方向性系数 特定方向天线的方向性系数是在特定接收地点产生相同电场强度下，定向与非定向天线辐射功率之比。不同方向点上定向天线的辐射强度不等，RFID天线的方向性系数定向天线随着实验地点的位置变化而变化。如果某点具有电场最大辐射强度，那么该点的方向系数最大。如果实验中没有特定说明，通常以最大方向系数点为标准点。 2.3 天线阻抗特性 通常将天线馈电点处输入电压与电流的比值称为天线输入阻抗。一般情况下，实验中天线与馈线连接的最佳的情形是天线输入阻抗与馈线阻抗处在同等条件下。此时馈线不存在反射功率，也不存在驻波，天线输入阻抗变化比较平稳。通常在RFID天线设计中选取的天线阻抗为50Ω或者75Ω，方便与馈线配对。 2.4 天线效率 天线效率是衡量计算天线能量转化有效性的指标。通常效率高的天线可以将天线辐射绝大部分转化成天线能量。天线效率一般情况下小于1，表明天线的输入功率一部分要转发为辐射功率，一部分为消耗功率。 2.5 天线频带宽度 RFID天线的频宽，即RFID天线的频带宽度，衡量指标包括增益、主瓣宽度、输入阻抗等。 本文实验表明，天线各种电性指标随天线频率变化而变化，天线带宽取决于各电指标的频率变化。实验中通常主要考察天线阻抗特性。 3 标签读写距离影响因素 3.1 标签读写范围计算 对于RFID系统而言，读写距离是最重要的评价指标，因其应用频段的特殊性，在无源条件下，读写范围可以达到3m～10m，对无源RFID硬件系统而言，RFID标签天线的读写距离计算公式为： r=λ4πPtPthGtFrτ（1） τ=4RcRdZc+Za|2（2） 其中，Pt是读写器的发射功率，Gt是阅读器天线的增益[2]，Gr为RFID标签天线的增量，t为传输功率系数，Pth是标签芯片启动时的门限功率。不难看出，对于标签天线而言，对其读写范围影响最大的参数是天线增量。 3.2 表面大小对天线读写距离的影响 在天线电特性参数中要考虑接地面大小对天线增益的实际影响。表1列出了RFID电子标签处在不同表面积天线上的实际增益情况[4] 。 3.3 介质厚度对RFID天线带宽的影响 天线频带宽度越窄，天线工作效率越低。实验中发现，调节介质层的厚度可明显改变天线带宽，当介质层厚度减小时，天线带宽变窄，从而使得天线工作效率下降。但增加标签天线的厚度，天线体积也会随之增大， 使得天线窄剖面性受到影响。本文项目实验中，当介质厚度为5mm时，天线反射系数为-10dB，带宽为910MHz～940MHz时，天线频带特性最为理想。 天线带宽限制性因素主要有：①方向图带宽。如出现实际频率与设计不符时，可能会造成主瓣指向的偏移，甚至造成主瓣分裂、副瓣电平增大或前后辐射比降低等问题。如果方向图准确性不能满足实验要求，必须限定方向图的带宽。一般情况下，频段高的方向图变化迅速，可限制方向图的带宽；②阻抗带宽。通常将天线馈电点处输入电压与电流的比值称为天线输入阻抗[1]。馈线驻波比是衡量RFID天线阻抗带宽的重要指标。一般可将天线驻波比小于特定值时的频带宽度作为天线的阻抗带宽。③增益带宽。增益下降到允许值时的频带宽度称为增益带宽。天线尺寸变小，增益下降，所以实验中通常限定天线最低工作频率。 3.4 外围封装材料对天线的影响 本文使用两种不同介质测试外围封装材料对天线的影响。用面积大小为400mm×400mm的金属反射时，天线增益为2.26dBi，同时其在垂直天线辐射面上增益最为明显。而改为同面积的泡沫介质后， 天线最大增益为3.94dBi，天线最大增益方向偏离垂直天线辐射面45°。 3.5 贴片结构改变对天线的影响 电磁耦合多贴片是在一个或几个平面内使用多个贴片，利用贴片之间的寄生耦合，改变其等效谐振回路，让天线在相对宽频段中完成匹配[3]，从而对微带天线的带宽完成扩展。其方法原理简单易懂，设计制作较容易，但由于天线是多贴片形式，该方式所占用的物理空间较大。 在贴片或接地板上开槽也是拓展宽天线带宽的常用方法。在天线不同部位开不同形状的槽，使天线馈电处形成多级等效谐振电路，从而实现频带展宽控制。 4 结语 近年来，随着无线射频识别技术应用领域的不断扩大，超高频RFID系统的天线技术备受关注。天线技术是RFID硬件系统的重要技术之一，对射频识别技术的发展和实际应用具有重要意义。 参考文献： [1] 郎为民. 射频识别（RFID）技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006，3265. [2] 董丽华. RFID技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2008，558. [3] 康行建. 天线原理与设计[M].北京：北京理工大学出 版，2009，2465. [4] 杨灵，刘磊安. 一种基于ALOHA的RFID标签多址接入算法[J]. 软件导刊，2015，14 （2）：6669. [5] 周晓光.射频识别（RFID）系统设计、仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社， 2008，2170. [6] 单承赣， 单玉峰.射频识别（RFID）原理与应用[M].北京：电子工业出版社， 2008，2366. [7] 宋国亮.射频识别电子标签的芯片设计[J].电脑知识与技术， 2009，3390. （责任编辑：陈福时） |
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