RFID标签天线设计技术与优化实践.doc

超高频RFID标签天线设计技术与优化实践航天信息股份有限公司金卡事业部 金青松摘要：根据国家863计划“先进制造技术领域射频识别（RFID）技术与应用重大项目”2006年度相应课题要求，本文通过讨论被动式射频识别标签, 并基于一个实用的应用对象的UHF标签天线设计方案仓库货箱跟踪应用，研究不同电介特性、机械特性等因素对标签天线性能的影响，以及不同应用背景的标签天线结构，标签天线的等效电路模型及其模型参数的提取方法、设计要求等,归纳出一个一般的设计处理和测量技术，为RFID标签天线结构优化、快速设计提供技术支撑；以及通过研究天线的电磁场建模及快速求解算法，标签天线的校准和测试方法，提出标签天线的匹配特性和方向图测试方案，为RFID标签天线设计和大批量生产提供验证手段。关键词：RFID标签天线，被动调制反向散射，应答器，前言： RFID是一个应用RF信号自动识别目标并快速发展的技术。现在RFID已在各种领域有很多应用，例如ETC，资产识别，零售项目管理，门禁控制，动物跟踪，车辆安全等；当前几种RFID系统标准也在使用中（ISO, Class 0, Class 1, and Gen 2）；全球还都有它自己的RFID频率分配，如RFID UHF频段，欧洲是866869 MHz，南美和北美是902928 MHz等。自1948年发表第1篇关于调制反向散射（被动RFID的基础原理）的论文开始，关于RFID天线（被动和主动标签）的论文也已经有很多，包括缝隙天线设计、圆片天线分析、弯曲天线优化、平面反向F天线、折叠偶极子天线等。然而很少的论文给出RFID标签天线设计的一般标准和实际应用方面的共性分析；但是关于特殊应用的天线设计和实践分析论文很多。本篇论文，我们尝试在综合翻译部分研究论文和引用部分实际成果的基础上,弥补现有的空隙。通过回顾被动UHF RFID标签天线设计要求，略叙设计步骤，描叙射程测量技巧，提出标签分析性能曲线图。1 概述天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为低频、高频、超高频及微波天线等；按方向性可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。在RFID系统中，天线分为标签天线和读写器天线两种情况。当前的RFID系统主要集中在LF、HF (13.56MHz)、UHF和微波频段。天线的原理和设计在LF、HF和UHF频段有根本上的不同。实质上，由于在LF和HF频段系统近场区并没有电磁波的传播，因此天线的问题主要集中在UHF和微波频段。天线具有多种不同的形式和结构，如偶级天线、双偶级天线、阵列天线、八木天线、平板天线、螺旋天线、环形天线等。其中环形天线主要用于低频和高频，完成能量和数据的电磁耦合。在433MHZ，915MHZ，2.45GHZ射频系统中，主要采用的天线形式有平板天线、八木天线和阵列天线等。2 天线设计技术2.1 天线参量天线参量既有作为空间器件又有作为电路器件的双重性。 下图显示了一个被动RFID系统的操作。 由此构成影响标签天线性能的特性参数主要有： l 天线类型: l 工作频率、频带宽度：l 方向性增益：l 极化方向：天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。电场的方向就是天线极化的方向。天线的极化方式有线极化（水平和垂直极化）和圆极化（左旋和右旋极化）等方式。不同的射频识别系统采用的天线极化方式可能不同。有些应用可以采用线极化，但大多数场合，由于标签的方位是不可知的，所以大部分系统采用圆极化使系统对标签的方位敏感性降低。l 波瓣宽度：将天线最大辐射方向2侧，辐射强度降低3db（功率密度降低一半）的2点间的夹角定义为波瓣宽度（波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力就越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。l 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，天线设计多与50 或70欧姆的阻抗匹配，但是可能还有其他。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20倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个40 到100欧姆宽范围的阻抗。另一个问题是其他的与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗。对于全向天线如双偶极子天线，这个影响是显著的。l 物体的介电常数：l 辐射模式：l 局部结构的影响l 射程：最重要的标签性能特性是射程（即标签读取距离）-RFID读写器能够探测到的标签反向散射信号的最大的距离。因为读写器灵敏度明显比标签高。读取范围对标签方向，标签的附着材料，传播环境也敏感。读取的范围可以用下列公式计算： (1)备注：-波长 -读写器传输功率 -天线传输的增益 -标签天线接受的增益 -供给RFID标签芯片充足能源的最小的必备功率 -功率传输系数 (2)备注：-芯片阻抗 -天线阻抗图：天线阻抗，芯片阻抗，典型RFID标签频率范围天线阻抗、芯片阻抗和读取范围与频率的关系请见上图。标签射程带宽可描述成标签提供一个可接受的超过那个波段的最小读取范围的频率带宽。从公式（1）可以看出读取范围是由读写器的乘积（发射EIRP）、标签天线增益和传输系数决定的。很明显，在频率附属和起初决定标签响应（发生在芯片与天线最佳阻抗匹配时的频率）时是占主导地位的。这个频率与50 Ohm载荷天线共振频率和自身响应天线是不同的。（1）中的射程可用一个因素来标准化。这个因素是固定频率时0 dBi天线与芯片阻抗最佳匹配(=1)的标签射程。（1）中的连续射程的等高线，可被增益传输系数平面划分，如下图所示，标注有标准值。下图可作为一个类似史密斯表中线圈阻抗介绍的介绍任何RFID标签天线性能的普通参考系。射程符合多个增益传输系数综合。图：标签天线特性图表：增益传输系数平面中的标准化射程的常数等高线RFID标签天线设计步骤包括必要的天线增益、阻抗和带宽的权衡。上图的性能曲线图可帮助设计者评估阻抗匹配和增益的权衡范围。此性能表的归一化因素可简单的计算出任何场合的EIRP和给定频率的芯片的极限功率。2.2 设计要求 抽象的讲，天线必须足够小以至于能够贴到需要的物品上；有全向或半球覆盖的方向性；提供最大可能的信号给标签的芯片；无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；具有鲁棒性；非常便宜等。 同时天线涉及到标签天线和读写器天线。从读写器到标签方向的数据传输过程中，所有已知的数字调制方法都可以选用，而与工作频率和耦合方式无关。常用的数据调制解调方式有幅度调制键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等方式。为了简化电子标签设计并降低成本，多数射频识别系统采用ASK调制方式。a. RFID标签天线设计天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。当工作频率增加到微波区域，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，标签天线的开发基于的是50或者75欧姆输入阻抗，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。天线的设计面临许多难题，相应的小尺寸以及低成本等要求的挑战；所标识物体的形状及物理特性，标签到贴标签物体的距离，贴标签物体的介电常数，金属表面的反射，局部结构对辐射模式等影响，都将影响标签天线特性。b. RFID读写器天线设计对于近距离13.56MHz RFID应用( 10cm)，比如门禁系统，天线一般和读写器集成在一起；对于远距离13.56MHz( 10cm1m)或者UHF频段( 3m) 的RFID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，天线设计面临新的挑战。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，还将涉及到天线阵的设计问题。以及小型化带来的低效率、低增益问题，这同样是国内外共同关注的研究课题。国外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，智能的打开和关闭不同的天线，使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签，增大系统覆盖范围。也可以采取特殊的设计手段使读写器能够判定目标的方位、速度和方向信息。在某些特殊的应用领域，也可能使用智能天线相位控制技术，使射频识别系统具有空间感应能力等。下面讨论与标签应用相对重要的几个通用的RFID标签设计要求。这些要求很大程度上用于测定RFID标签天线的选择标准。 1） 频率带宽：期望的工作频率带宽依赖与标签使用地的规定。2） 尺寸和版式：标签版式和尺寸必须能够被封装或粘贴到需要的目标上（纸版箱，航空行李票，识别卡等），或者可被固定在一个印刷好的标签内。3） 读取范围：需要读取的最小范围通常是特定的、不同的。EIRP：EIRP是由本地国家规定测定的 目标：当固定在不同目标上时，或当别的目标出现在标识目标附近，标签性能将改变（例如各种容量的纸版箱）。标签天线可根据特殊目标上的最佳性能来设计或调谐，或设计成对标签标识目标的容量敏感度最小。 方向性：读取距离依赖天线方向性。一些应用需要标签具备特定方向性，如全向性或半球型覆盖。4） 应用的灵活性：RFID标签可能被用在下列情况，如速度到600 ft/min或10 mph的传输带上的货盘或箱体。此时915 MHz下多普勒变化改变少于30 Hz，不影响RFID工作。然而，标签在RFID读写器读取区域时间很少，须要求很高的读取速率。所以，RFID系统必须保证标签识别的可靠性。5） 成本：RFID标签必须是低成本。这约束了天线结构和根据结构包括ASIC的使用的材料选择。标签天线多是铜，铝或银油墨。6） 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。2. 3 设计步骤RFID标签天线性能很大程度地依赖于芯片的附属频率复数阻抗。标签读取范围必须在设计步骤严密监控，以满足设计要求。因为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以满足设计要求，需要做折衷。通常在标签构成变更和不同材料不同频率带宽的天线性能优化时，采用可调天线设计提供偏差。RFID标签天线设计步骤如下图的流程图所示。一旦RFID应用选定，系统需求变成标签需求。这些需求决定了标签天线构成和ASIC封装材料。选定的ASIC的阻抗（如倒贴封装等）与天线的匹配，可用网络分析仪检测。选择应用，定义标签需求确定天线构成材料确定封装的ASIC的RF阻抗定义天线类型和其参数执行变量研究和优化构建和测量原型设计完成设计要求满足？ 否 是 执行天线变量研究和优化，直到设计要求满足仿真。如很多天线，因为使用环境复杂，往往RFID标签天线解析方法也很复杂。标签天线通常用电磁模型和仿真工具来分析，典型的是有限元FEM的瞬间平面设计（如薄的柔韧标签）法MOM，或有限差异时域法FDTD的更复杂的三维设计法（如厚的金属固定标签）。快速EM分析工具对有效的标签设计很重要。一个典型的设计步骤，模型和仿真工具可作为测量的基准。读取范围计算可直接在EM软件中执行。标签天线首先是模型化；仿真；以及通过监测标签射程、天线增益和提供给设计者更好理解天线行为的阻抗，在计算机上优化。设计步骤的最后一步，建立原型和充分测量性能。如果需求满足，可以开始天线设计；否则，进一步调整设计和优化，直到满足要求。2.4 不同应用背景的标签天线结构针对不同应用的电子标签，需要采取不同形式的标签天线，因而也会具有不同的性能。实际电子标签采用的天线形式有如图所示的I形、M形和花形、鸡冠等异形的多种形式；供应厂家也涉及全球知名的TI、Alien、Avery、Impinj、KSW、Rafsec、Symbol、Omron、Matrics、X-Ident等。形式示例标签尺寸标签间距基材宽度花形（矩形）98.2 x 12.3 mm15.9 mm101.2 mmM形98.4 x 32.8 mm35.9 mm101.6 mmI形（线形）152.5 x 15.9 mm19.1 mm155.7 mm异形（鸡冠）100X100mm异形（神剑）101.6X172.7mm127 mm异形（4T）101.6X172.7mm107.95 mm异形（蝴蝶）101.6X172.7mm76.2 mm异形(船锚)101.6X172.7mm152.4 mm2.5 不同电介特性、机械特性等因素对标签天线性能的影响 下图反映了不同产品类型、包装类型(包装材料和封装容量)与射频系统的“友好程度”。常用介质材料性能可查有关数据表。为监测不同电介特性、机械特性等因素对标签天线的影响，我们在一个无反射的环境中测试天线模式，包括各种需要贴标签的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属罐引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离50mm的时候，返回信号下降大于20dB。天线与物体的中心距离分开到100150mm的时候，返回信号下降约10 -12dB。在与天线距离100mm的时候，测量了几瓶水（玻璃，塑料和金属罐包装），见下图示，反回信号降低大于10dB。蜡纸盒中的液体，甚至苹果上做试验得到了类似的结果。玻璃瓶中的水塑料瓶中的水金属罐中的水2.6 标签天线的等效电路模型及其模型参数的提取方法 标签天线的等效电路模型及其模型参数的提取方法，请见3 -RFID天线设计示例。2.7 标签天线的匹配特性和方向图测试方案 标签天线的匹配特性和方向图测试方案，请见3 -RFID天线设计示例。2.8 标签天线的校准和测试方法精确的标签射程测量可在可控的环境中操作，如消声室或横向电磁蜂房TEM。2种方法中标签位置可固定，发射机输出功率能根据可控的衰减变化。它支持精确的标签射程特性，避免了大的和受限制的贵的房间或蜂房。紧凑的TEM蜂房测量小标签很便利；消声室能够测量各种目标上的标签性能。消声室内，标签放置在一个离读写器天线固定距离的位置，如下图所示。各种频率下，与标签进行通讯需要的最小功率要有记录。因为连接导线损失，发射天线增益和标签距离是已知的，任意发射机EIRP影响下的标签射程，可由（3）测定。 (3) 选择消声室内标签位置的一般指导方针如下：距离必须是标签在远区即将响应；标签在消声室内静止且路径最短。 标签放在TEM蜂房里面，蜂房通过各种输出功率跟RFID读写器连接，如上图所示。 各种频率下，需要测量与标签通讯的TEM蜂房所需要的最小输入功率。标签射程可由TEM蜂房内部区域已知的公式计算出来 (4) 备注：-RFID标签放置的代表性的TEM蜂房高度 -TEM蜂房输入阻抗在测量中，标签与消声室距离3英尺(0.91 m)，线极化读写器天线6.2 dBi；TEM蜂房参数 220 mm，50 Ohm。2种情况下导线损失 -0.5 dB。3 RFID标签天线设计示例3.1 应用场合智能标签用在仓库里的纸版箱上，可被跟踪。标签表面有一个印刷条码；标签下面是天线和芯片；能装在各种容量的纸版箱上；箱体在传输带上行进，或使用叉车通过配有RFID读写器的大的入口，如下图所示。标签设计的要求如下：l 可简单地调到860960 MHz内的任意频率，并适应纸版箱最后装配的各种容量； l 4W EIRP，915 MHz (902928 MHz, 美国)时标签应当具备至少2.5 m的射程；以及2W ERP (或3.3 W EIRP)， 868 MHz (或866869 MHz) 至少2.2 m的射程，满足最坏情况下的应用需求；l 适合6X4英寸的尺寸标准，并有适合封装进42英寸和41英寸的小标签；l 首选具备全向读取范围性能的标签。3.2 天线设计 天线设计步骤简要描叙如下：l 材料。考虑成本和应用，使用薄的柔韧聚酯基材，绝缘介电常数3.5，厚度=2 mil (0.051 mm)；天线轮廓由铜制成，厚度=0.7 mil (0.018 mm)。l ASIC。此类小标签应用，如下图所示，使用倒贴技术封装（已经被广泛确定为一种普遍低成本技术）。芯片的输入阻抗，根据不同功率级别，在频率范围用网络分析仪测量。l 天线类型。在超高频RFID标签中，可以选择下表中所示的天线形式。它们重点考虑了天线的尺寸。这样的小天线的增益是有限的，增益的大小取决于辐射模式的类型，全向天线峰值增益从0-2dbi；方向性天线的增益可以达到6 dbi。增益的大小影响着天线的作用距离。表中前3类的天线都是线极化的，但是微带面天线可以是圆极化的，对数螺旋天线只能是圆极化的。由于RFID标签的方向性是不可控的，所以读头天线必须是圆极化的。表：可选的标签天线天线模式类型自由空间带宽（%）尺寸（波长）阻抗（欧姆）双偶极子全向10-150.55080折叠偶极子全向15200.5X0.05100300印刷偶极子方向性10150.5X0.5X0.150100微带面方向性230.5X0.530100对数螺旋方向性1000.3高X0.25底直径50100考虑到天线的阻抗问题、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率传输，邦定芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。考虑到这个要求，在电子标签中应该使用方向性天线。它具有更少的辐射模式和更小的返回损耗干扰。天线图形如下图所示。因为尺寸和调谐要求，弯曲偶极子天线是一个自然的选择。 其中参数lwsdab值960.70.796140.0510.018弯曲允许天线紧凑并提供了与弯曲轴垂直的平面上的全向性的性能。为更好控制天线电阻，我们增加了一个同等宽度的载荷棒作为弯曲轮廓；为供给芯片一个好的电容性阻抗，进一步弯曲弯曲截面以获得额外的感应系数。天线可通过调整简单调制。弯曲轮廓的长度和载荷棒可以变更，以获得适宜的电抗和阻抗匹配。调整由指定位置的穿透天线轮廓的冲切孔实现。可调的设计对交货时间经常需要最小是值得的。l 变量研究和优化。载荷弯曲天线有几个关键的参数：载荷棒宽度, 距离, 间距, 弯曲步幅宽度, 弯曲步幅高度。允许最大的天线长度，由尺寸要求规定。上面提汲的参数影响天线增益和阻抗，并决定标签的谐振、最高射程和带宽。这种薄平面天线可用Ansoft Designer设计软件进行优化。使用模拟增益、阻抗值和极限功率下芯片阻抗的测量值，标签射程可通过（1）得出。尽管Ansoft Designer设计软件有很强的参变量和优化工具，但当考虑设计要求的适当的成本时，它的后加工能力不是充分的。天线最佳的可实现的组合参数，可根据划分和检查曲线图表进行识别。优化后，我们获得标签天线最后的参数值，如上表-载荷弯曲标签天线参数表。 天线电抗和阻抗可被调整控制，如左下图所示。举例说明，通过mm移动调整弯曲迹线，使共振频率到20 MHz，增益因调整的影响并不明显，如右下图所示。没有调整时，标签的性能在上图标签天线特性图表：增益传输系数平面中的标准化射程的常数等高线中有显示。 l 模型和确认。制作好几个类似下图的标签模型，在消声室和TEM蜂房进行射程测量设置的测试。比较一个调制到915 MHz 波段空间的理论和实验测量读取范围可以看到，理论曲线和实验数据严格符合。TEM蜂房数据和消声室数据的差异，主要由于消声室的不完整性和TEM蜂房里的电气区域不一致。图：载荷弯曲RFID标签自由空间中的理论和实验读取范围(EIRP = 4 W)l 芯片变化的敏感度。无论ASIC装配和封装过程是何变化，标签设计必须满足射程要求。因为所有的制作细节预先并不知道，制作后的标签共振频率可能与期望值有很大不同。为提供给标签共振频率以足够的误差，我们把弯曲天线设计成自由空间里与一典型芯片阻抗共振显示如变量研究和优化右下图（855 MHz）所示。这保证了当标签装在箱体上，它应覆盖最低的RFID波段（866869 MHz），甚至制作过程引起重大的共振频率偏离时。尽管制作后延长长度不容易，标签天线仍能够经常调整到一个较短的长度。 图：针对ASIC封装过程变化的RFID标签射程与频率变化(ERP =2W)模型制作后，标签共振频率的传播大约是20 MHz，如上图所示。这种传播受倒贴过程影响，如封装寄生效应影响和封装芯片的虚部阻抗的变异。l 箱体容量的敏感度。当标签装在相同容量的纸版箱上，它的共振频率下降但是标签能够修整和调谐到适当的频率和射程性能，如下左图所示(ERP =2W)。弯曲轮廓和载荷棒对应的修整，如下右图示。箱体1是空纸版箱，2是有塑料材料在内的纸版箱 (=2.87)。 一旦调谐决定，它将适用与所有将用在特定箱体容量、特定频率波段的标签。当前的标签设计满足868MHz和915MHz频率波段的各种箱体容量期望的射程要求。4 结论 本文通过讨论被动式射频识别标签, 并基于一个实用的应用对象的UHF标签天线设计方案仓库货箱跟踪应用，研究不同电介特性、机械特性等因素对标签天线性能的影响，以及不同应用背景的标签天线结构，标签天线的等效电路模型及其模型参数的提取方法、设计要求等,归纳出一个一般的设计处理和测量技术，为RFID标签天线结构优化、快速设计提供技术支撑；以及通过研究天线的电磁场建模及快速求解算法，标签天线的校准和测试方法，提出标签天线的匹配特性和方向图测试方案，为RFID标签