ＲＦＩＤ技術(shù)及其射頻天線的小型化設(shè)計(jì)

摘要：近年來廣泛應(yīng)用的RFID技術(shù)及其關(guān)鍵部件——射頻天線，由于RFID卡尺寸的限制，RFID射頻天線的小型化勢(shì)在必行。本文綜合介紹了使用在RFID系統(tǒng)中的各種天線型式，并著重分析了RFID射頻天線小型化的方法，在此基礎(chǔ)上比較了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為RFID系統(tǒng)性能進(jìn)一步改進(jìn)提供了研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；天線；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN820.12:TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-3100(2007)01-0059-02

Abstract: The RFID technology that are applied widely and its key part-RF antenna， because of small size of an RF antenna， it is of great importance to restrict the size of RF tag. Several kinds of antenna applied in an RFID system are introduced， especially focusing on the novel methods to miniaturize their structures. In addition， comparisons of their merits and drawbacks are made， which will therefore enlarge the application range of RFID technology and its system performance.

Key words: RFID technology; antenna; design

RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識(shí)別）技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它是將信息在RFID卡（也稱作電子標(biāo)簽）上進(jìn)行編碼，再將此標(biāo)簽粘貼在需要被識(shí)別或者追蹤的物品上，在物品移動(dòng)時(shí)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該物品的跟蹤，形成“流動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)”。RFID技術(shù)具有可靠性高、保密性強(qiáng)、方便快捷等特點(diǎn)。此外，由于它的數(shù)據(jù)容量大，并可以對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行更改和加密，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)非視距掃描，因此被廣泛應(yīng)用在包裝、物流等行業(yè)。RFID的關(guān)鍵部件是射頻天線，常見的天線型式有偶極子天線，線圈天線和微帶貼片天線等。由于RFID卡尺寸的限制，天線的小型化成為制約RFID技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。本文在介紹RFID技術(shù)的原理的基礎(chǔ)上綜合比較了各種天線型式，并分析了射頻天線小型化的方法，最后介紹了幾種典型的小型化RFID天線。

1RFID技術(shù)的原理及應(yīng)用

1.1RFID系統(tǒng)的組成

RFID系統(tǒng)主要由RFID卡、讀寫器以及進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、交換和管理的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中RFID卡由天線和RFID芯片組成，每個(gè)芯片都含有唯一的識(shí)別碼，用來標(biāo)示該RFID卡所附著的物品；讀寫器用來對(duì)RFID卡中的信息進(jìn)行讀寫，并通過網(wǎng)絡(luò)和其他計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成對(duì)RFID卡的信息獲取、解釋以及數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、交換和管理，具體實(shí)現(xiàn)可由小型數(shù)據(jù)庫(kù)來完成，也可以利用集成RFID管理模塊的大型ERP數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件來實(shí)現(xiàn)。

1.2RFID系統(tǒng)的工作原理

讀寫器首先將射頻載波信號(hào)通過發(fā)射天線向外發(fā)射，當(dāng)裝有RFID卡的物品接近讀寫器并進(jìn)入讀寫器發(fā)射天線的工作區(qū)時(shí)，RFID卡的識(shí)別標(biāo)簽被激活，并將自身的信息代碼通過天線發(fā)射出去；系統(tǒng)的接收天線接收到識(shí)別標(biāo)簽發(fā)出的載波信號(hào)之后，經(jīng)過天線的調(diào)節(jié)器傳送給讀寫器，讀寫器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解碼和解調(diào)，并送到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過邏輯運(yùn)算判斷出該標(biāo)簽是否合法，并作出相應(yīng)的處理，隨后發(fā)出指令控制信號(hào)送回射頻前端電路，最后再通過天線發(fā)送回讀寫器。

2RFID射頻天線的小型化設(shè)計(jì)

2.1RFID的主要天線型式

由RFID系統(tǒng)的工作原理不難看出，在RFID卡和讀寫器進(jìn)行通信的過程中，射頻天線起到了重要的作用，該作用主要表現(xiàn)在兩方面：一是要建立一個(gè)穩(wěn)定的激勵(lì)電磁場(chǎng)，這樣RFID卡的芯片才能獲得足夠的能量來啟動(dòng)電路進(jìn)行工作；二是接收來自識(shí)別標(biāo)簽的載波信號(hào)并傳送給讀寫器，因此選取合適的天線型式對(duì)提高系統(tǒng)的性能有著重要的意義。在選擇天線時(shí)，需要考慮的因素有天線的類型、天線的阻抗，標(biāo)簽附著物品的射頻特性以及該物品周圍其他物品的射頻特性等。

天線的目標(biāo)是將最大的能量傳輸至標(biāo)簽芯片，因此在選擇天線類型時(shí)需要使其阻抗與自由空間及ASIC匹配。目前RFID系統(tǒng)的主要工作頻率有435MHz，2.45GHz和5.8GHz，在這些頻段中可選擇的天線型式主要有以下幾種：偶極子天線，微帶貼片天線，線圈天線等。

偶極子天線輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全向性的方向圖，經(jīng)常被用在遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。

微帶貼片天線的方向圖是定向的，適用于通信方向變化不大的RFID系統(tǒng)，但相比之下工藝較為復(fù)雜，成本也相對(duì)較高。

線圈天線目前已經(jīng)有一套成熟的理論和工藝，應(yīng)用較為廣泛，但它只適合于距離在1米以下的近距離RFID系統(tǒng)，在高頻率、大信息量以及工作距離和方向不定的場(chǎng)合難于得到廣泛應(yīng)用。

2.2RFID天線的小型化設(shè)計(jì)技術(shù)

RFID系統(tǒng)中所用的射頻天線通常是集成在一張小小的RFID卡上，由于RFID卡尺寸的限制，射頻天線的小型化就成為決定RFID系統(tǒng)性能的重要因素。近年來在這方面有許多新的技術(shù)出現(xiàn)，下面就具體作一介紹：

2.2.1嵌入式線圈天線

文獻(xiàn)[1]提出了一種嵌入式的線圈天線，如圖2所示。將天線在RFID芯片上進(jìn)行集成是一種有效的減小RFID設(shè)備尺寸的理想方法，之所以采用線圈天線，是因?yàn)樾酒邮盏降碾姶鸥袘?yīng)能量比讀卡器天線在近區(qū)輻射的電磁感應(yīng)能量大。該天線為金制，電鍍?cè)谝粔K0.4mm×0.4mm的半導(dǎo)體晶片上。能夠達(dá)到的最大通信距離為1.2mm左右。

2.2.2分形開槽環(huán)天線

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于方形Minkowski環(huán)的分形平面開槽環(huán)天線，這種天線具有雙向的方向圖，RFID標(biāo)簽在查詢驗(yàn)證過程中不需要進(jìn)行特定的定位處理。圖3所示分別為進(jìn)行了0次、1次、2次迭代后的天線圖形。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，開槽換天線高12.75mm，槽寬0.5mm，通過50ohm的微帶線饋電。圖中的三個(gè)天線的理論諧振頻率分別為2.45GHz、1.75GHz和1.45GHz，實(shí)測(cè)的諧振頻率為2.35GHz、1.7GHz和1.38GHz，與理論值吻合很好。

2.2.3低剖面圓極化EBG天線

某些RFID系統(tǒng)需要采用手持設(shè)備接收來自不同方向的來波信號(hào)，在這種情況下要用到圓極化的天線，螺旋天線[3]可以實(shí)現(xiàn)圓極化特性，但是通常是接在金屬接地面上，當(dāng)天線距離接地面很近時(shí)，反射波的相位與前向波反相，這樣會(huì)削弱天線的輻射場(chǎng)。為解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[3]提出了一種低剖面圓極化EBG天線，它將金屬接地面改進(jìn)成EBG（電磁帶隙）結(jié)構(gòu)，在接地面上做出一些很小的方形金屬貼片來形成高阻表面，如圖4所示。改進(jìn)之后，天線尺寸可以縮小到0.005λ（此處λ為自由空間諧振頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)），能夠很好的滿足手持設(shè)備的需要。不足之處在于采用了EBG結(jié)構(gòu)之后，軸比帶寬和增益會(huì)有所下降。

3結(jié)束語

本文對(duì)RFID的技術(shù)原理及其天線設(shè)計(jì)作了較全面的介紹，RFID的實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵取決于它的天線設(shè)計(jì)，由于RFID卡尺寸的限制，射頻天線的小型化勢(shì)在必行，文中分別介紹了幾種新型的天線小型化技術(shù)，這些技術(shù)富有啟發(fā)性，對(duì)進(jìn)一步的研究有一定的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mitsuo Usami. An Ultra-small RFID Chip: u-chip[C] // 2004 IEEE Conference on Advanced System Integrated Circuits， 2004:241-244.

[2]Shantanu K. Padhi， Gerhard F. Swiegers and Marek E. Bialkowski. A Miniaturized Slot Rnig Antenna for RFID Applications[C] // 2004 15th Conference on Microwaves， Radar and Wireless Communications， 2004:318-321.

[3]H. Nakano， S. Okuzawa， K. Ohishi， H. Mimaki， J. Yamauchi. A Curll Antenna[C] // 1993 IEEE Transaction on Antennas and Propagation， 1993:1570-1575.

[4]Pasi Raumonen， Mikko Keskilammi， Lauri Sydanheimo， Markku Kivikoski. A Very Low Profile CP EBG Antenna for RFID Reader[C] // 2004 IEEE Antennas and Propagation Society Symposium， 2004:3803-3811.

[5]John R. Tuttle. Traditional and Emerging Technologies and Applications in the Radio Frequency Identification （RFID） Industry[C] // 1997 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium， 1997:5-8.