RFID系統天線設計

劉宏浩

摘要：隨著物聯網行業的發展，射頻識別技術（RFID）開始在各領域得到廣泛應用。天線作為RFID系統中的重要組成部分，一直是相關學者的研究熱點。本文從RFID系統的構成及其基本原理出發，分析了RFID系統天線的設計難點，設計了一個簡化的閱讀器圓極化天線。本文設計的圓極化閱讀器天線滿足實際應用要求，在各應用領域都有一定的應用價值。

關鍵字：RFID系統；圓極化天線；標簽；讀寫器

0前言

RFID（Radio Frequency Identification）是指射頻識別技術，屬于自動識別技術的一種，與傳統的條形碼等自動識別系統相比，RFID 技術可以很容易地實現遠距離讀寫入，對定向性并無要求，識別過程中無需保持目標可見，甚至可以透過障礙物對數據進行讀取，這決定了RFID系統可以很好地適應惡劣的環境。RFID技術還具備多個電子標簽的并行處理能力，信息容量大，通過RFID標簽即可實現對物體進行物理定位。因此，RFID技術在工業、商業、交通、物流、安保等各領域得到了廣泛的應用。

1 RFID系統的構成及其基本原理

典型的射頻識別系統主要由電子標簽、讀寫器和數據管理系統三個部分組成。讀寫器主要包括天線和讀寫器芯片兩部分。電子標簽需要附著于待識別的物品上，每個電子標簽都含有唯一的識別碼。天線是一種可以把傳輸線上傳播的導行波變換成在自由空間中傳播的電磁波的變換器，它是無線電設備中用于收發電磁波的部件。RFID系統的天線必須在特定的頻率和帶寬條件下才能正常工作。RFID系統的讀寫器天線需要進行極化處理，例如最常用的圓極化。讀寫器芯片收到射頻信號后首先要經過放大處理，然后對信號進行解調才能解析出標簽內的信息。相反，數據管理系統可以將等發送的信息寫入標簽，經過編碼調制由讀寫器天線發射出去。

2 RFID系統天線設計理論

2.1設計難點

與其它無線傳輸系統的天線相比，射頻識別系統天線設計具有一定的特點和難點。標簽天線接收到射頻信號后，通常需要經過阻抗匹配處理才能完成信號的傳輸。讀寫器天線還要求低剖面、小型化、多頻段，甚至需要使用多天線技術或智能波束掃描天線陣技術。另外，每個國家和地區可使用的 RFID頻段是非常有限的，設計過程中還要滿足阻抗帶寬、軸比帶寬、天線的增益等性能指標，因此RFID系統天線的拓展成了一個重要的設計難題。

2.2讀寫器天線

天線是射頻系統的讀寫器發射能量的設備，能量以電磁場的形式對電子標簽進行識別?？梢哉J為，讀寫器天線發射的電磁場范圍就是射頻系統的識別范圍。在實際應用中，讀寫器天線的設計和選擇應遵守天線線圈大、阻抗匹配、足夠帶寬等原則。讀寫器天線的主要性能指標包括工作頻率、頻帶寬度、方向性增益、極化方向、波瓣寬度等。工作頻率和頻帶寬度要能夠符合射頻識別系統的頻率范圍要求。天線的極化方向多采用圓極化方式，因為圓極化方式可以使能量分布于所有方向，以提高系統的識別能力，降低系統對標簽方位的敏感度。一般來說，波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強，但同時覆蓋范圍就越小，反之亦然。

2.3標簽天線

目前大部分RFID系統都屬于被動式標簽射頻識別系統，通?？梢愿鶕ぷ黝l段的不同而分為兩種工作模式：一種是感應耦合工作模式，也稱為近場工作模式。近場工作模式是低頻和高頻RFID系統的主要工作模式；另一種是反向散射工作模式，也稱為遠場工作模式。遠場工作模式是超高頻和微波RFID系統的主要工作模式。在被動式標簽天線射頻識別系統中，由于工藝的原因，電子標簽檢測電路集成過程將引入一定的分布式電容。電子標簽芯片的輸出阻抗一般為容性阻抗，為了達到能量的最大傳遞，通常將天線的輸入阻抗設計為標簽芯片阻抗的共軛。另一種解決方案是通過在低頻和高頻的射頻識別系統中的被動標簽天線中加入線圈，人為地引入感抗以抵消芯片中的容抗。

3讀寫器圓極化天線設計

在RFID應用中，讀寫器天線必須滿足圓極化、寬帶和高增益等要求。讀寫器天線結構如圖2所示，天線主要由一個切角方形貼片、一個小的矩形貼片、還有一個L型地面構成，貼片構造在一個0.8mm的FR4板上，下面是厚度為33mm的空氣介質。該結構實現了一個單層的直接饋電寬帶圓極化讀寫器天線，進一步簡化了傳統天線的結構。

圖2 讀寫器天線結構

仿真結果表明，駐波比小于1.5的帶寬完全覆蓋了840-960MHz整個UHF RFID頻段，天線增益在UHF RFID頻段之間基本在8dBi左右，滿足了讀寫器天線對增益的要求。軸比小于3的帶寬也完全覆蓋了整個UHFRFID頻段，該天線主要是由方形切角貼片產生圓極化波，小的寄生貼片來拓展軸比和阻抗帶寬的。方形貼片是整個天線的主輻射體，改變方形貼片的尺寸可以有效的調整軸比和阻抗帶寬的位置，增加L1可以使得軸比和阻抗帶寬向低頻方向轉移，反之會向高頻方向轉移。

4結語

RFID系統具有巨大的應用前景和廣闊的市場空間。由于天線設計需要綜合考慮結構形狀、尺寸大小、體積重量、實現方式、帶寬特性、方向圖特性、極化特性等因素，天線的設計也一直受到了相關領域人員的高度重視。近年來，超高頻（840-960MHz）射頻識別技術開始應用于工程領域，該技術比普通RFID具有識別距離遠、識別速度快、抗干擾能力強、使用壽命長、可穿透非金屬材料、運用范圍廣等新特點，將成為未來RFID的重點發展方向之一。

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