（通信与信息系统专业论文）rfid阅读器天线分析与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 射频识别技术( r f i d ) 是目前一种热门的非接触式自动识别技术，它利用无 线射频方式进行非接触双向通信，从而达到自动识别目标对象并获取相关数 据，与其它识别方式相比，该技术具有识别精度高、速度快、环境适应能力强 等许多优点。目前u h f 频段和微波频段的r f i d 技术发展很快，阅读器天线是 r f i d 系统中的关键部分，因此它的研究与设计很重要。 本文对微波s 频段r f i d 阅读器天线设计进行了研究，文中首先介绍了r f i d 的相关知识，并对天线设计的重要性做了简要介绍，然后对微带贴片天线和它 应用在r f i d 阅读器天线设计上的优势进行分析，并在其后采用微带贴片天线 来设计阅读器天线。 其次本文对使用在便携式或手持式阅读器上的单片微带天线进行了研究， 对采用的极化方式，基板材料进行分析，最后设计出一款同轴馈电单片圆极化 切角微带贴片天线，仿真结果表明该天线有着优良的性能，天线辐射方向性好， 半功率波束宽度大于7 0 。，阻抗带宽在2 0 0 删z 左右，圆极化轴比带宽在4 0 m h z 左右，峰值增益达到7 5 d b ，且该天线结构简单，易于制造，非常适合于使用 单天线的r f i d 阅读器天线设计。 再次本文针对远距离阅读器天线需要高增益要求，对采用天线阵来设计阅 读器天线的方式进行研究，并设计了一款四元阵的圆极化贴片天线阵，仿真结 果表明，其增益符合理论计算，在1 3 d b 左右，阻抗带宽7 0 m h z ，圆极化轴比 带宽5 0 m h z ，半功率波束宽度在2 5 。左右，能够运用在特殊场合( 覆盖范围不是 很宽，阅读距离远，增益要求却很高) 的r f i d 阅读器天线设计，最后文章对于 采用阵列式的阅读器天线在实际设计中碰到的问题进行了简要分析。 关键词：r f id ，阅读器天线，微带天线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) h a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a r a u t o m a t i c a l l yi n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e si nt h er e c e n ty e a r s ，w h i c hc a l l i d e n t i f yt h et a r g e ta n de x c h a n g eu s e f u ld i g i t a li n f o r m a t i o nv i an o n c o n t a c tr a d i o 行e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni 江i dr e a d e r sa n dt a g s c o m p a r e dw i t ho t h e r i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , r f dh a sh i g h e rp r e c i s i o n f a s t e ri d e n t i f i c a t i o ns p e e da n d s 仃o n g e ra b i l i t y t oa d a p tt h et i n - c o n s t a n te n v i r o n m e n t s n o w a d a y s u h fa n d m i c r o w a v e 丘e q u e n c yb a n dr f i dt e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y r f i dr e a d e r a n t e n r l ai sa k e yp a r to ft h es y s t e m ，s oi t sv e r yi m p o r t a n tt od os o m er e s e a r c ho n t h e m i nt h i sp a p e r , t h er f i dr e a d e ra n t e n n aw h i c hw o r k si nm i c r o w a v es b a n di s a n a l y z e d ，f i r s t ，s o m eb a s i ck n o w l e d g eo fi 江i di si n t r o d u c e d ，a n dt h ei m p o r t a n c eo f t h ei 讧i dr e a d e ra n t e n n ad e s i g ni ss i m p l yp r e s e n t t h e nt h ea d v a n t a g e so fu s i n g m i c r o - s t r i pp a t c ha n t e n n at od e s i g nr f i da n t e n n aa r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d , f o r i t sa d v a n t a g e sm i c r o - s t r i pp a t c ha n t e n n ai su s e dt od e s i g nt h er f i dr e a d e ra n t e n n a s e c o n d ，t h es i n g l ep a t c ha n t e n n aw h i c hu s e si np o r t a b l eo rh a n d h e l dr e a d e ri s s t u d i e d , t h ef o r mo fi t sp o l a r i z a t i o na n dt h es u b s t r a t em a t e r i a li sd i s c u s s e d ，a f t e rt h a t ac o a x i a lf e e dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o ns i n g l em i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n ai sd e s i g n e d f o rt h eh a n d h e l dr e a d e r , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sa n t e n n ah a se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ，i th a sg o o dr a d i a t i o nd i r e c t i o na n dt h eh a l fp o w e rb e a mw i d t hi s g r e a t e rt h a n7 0 。，t h ei m p e d a n c eb a n d w i d t hi sa b o u t2 0 0 m h za n dt h ec i r c u l a r p o l a r i z a t i o na x i sr a t i ob a n d w i d t hi sa b o u t4 0 m h z t h eg a i ni sa r o u n d7 5 d b t h e a n t e n n a ss t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s yt om a n u f a c t u r e ，i t sv e r ys u i t a b l ef o rs i n g l e i u i dr e a d e ra n t e n n a 、 t h j r d ，f o rt h eh i g h g a i nr f i dr e a d e ra n t e n n ai sn e e d e dm o r ea n dm o r e t h e m i c r o s t r i pa n t e n n aa r r a yi si n t r o d u c e dt od e s i g nt h eh i g h g a i nr f i dr e a d e ra n t e n n a af o u rc i r c u l a rp o l a r i z a t i o np a t c ha r r a yi sp r e s e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti t s p e r f o r m a n c ei sg o o d ，t h eg a i ni sa b o u t 13 d b ，i m p e d a n c eb a n d w i d t hi sa r o u n d 7 0 m h za n dt h ec i r c u l a r p o l a r i z a t i o n a x i a lr a t i ob a n d w i d t hi sa b o u t5 0 m h z h a l f - p o w e rb e a mw i d t hi sa b o u t2 5 t m sa n t e n n ac a l lb e u s e di ns o m es p e c i a lp l a c e s ( n a r r o wc o v e r a g e ，f a rd i s t a n c ea n dh i g h g a i nr e q u i r e m e n tp l a c e s ) f i n a l l ys o m e p r o b l e m so fu s i n ga r r a ya n t e n n af o rr f i dr e a d e ra n t e n n aa r ed i s c u s s e di n t h i s p a p e n k e y w o r d s ：r f i d ，r e a d e ra n t e n n a ，m i c r o s t r i pa n t e n n a ； 西南交通大学四南父遇大手 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密醇使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：柿更 指导老师签名： 搦全涯 日期：劢9 7 、弓孑秒日期：弘闷尹了歹。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文所采用的设计理论和天线结构，旨在设计出简单实用的微带天线，使 其能够满足微波段r f i d 阅读器天线的应用需求，所做的工作有：1 针对便携 式阅读器天线的需求进行分析，设计出实用的便携式单片天线；2 针对固定式 阅读器天线的要求，设计出固定式微带阵列天线；以上天线均进行了仿真对设 计进行了验证。 粕厦矽9 7 乡扔 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 无线射频识； 1 ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术是最近几年兴起的一种 非接触式自动识别技术，它通常以微小的无线收发器为标签( t a g ) 来标识某个物 体，标签上携带有一些关于这个对象的数据信息，作为标签的无线收发器通过 无线电波将这些数据发射到附近的读写器( r e a d e r ) ，以达到识别目的并进行双向 通信【1 1 。r f i d 技术是一种新的无线自动识别技术，近年来在全球得到迅速发展， 其应用领域广泛，发展迅速，正在逐步走向成熟。 r f i d 技术最鲜明的特点就是它利用无线电波来传送识别信息，以无线方 式进行双向通信，实现了非接触，可以大量读取和远程读取，其不受空间限制， 可以快速进行物体追踪和数据交换，识别距离近可以小于l c m ，远则可达数十 米甚至上百米。它与传统的条码，i c 卡，语音识别和生物识别方式等相比有 显著的优势，表1 1 列出了几种识别技术的优劣 2 1 。 表1 1 各识别技术性能优劣比较 参数条形码语音识别生物识别i c 卡r f d 典型的数据字节1 1 0 01 6 6 4 k1 6 6 4 k 数据密度小 高高很高很高 机器阅读的可读性好费时间费时间好好 个人阅读可读性受制约 简单容易 困难 不可能不可能 灰尘潮湿的影响 很严重可能没有影响 光遮盖的影响全部失效可能没有影响 方向和位置的影响很小单方向没有影响 用坏磨损有条件的 接触没有影响 购置费电子阅读设备很少 很高 很高很少一般 未经允许的复制修改容易可能不可能不可能不可能 阅读速度 氐- 4 s很低 5 s 很低 5 10 sf 氐- 4 s很快o 5 s 阅读距离 o 5 0 c m0 5 0 c m 直接接触直接接触o 1 0 m 微波 由于r f i d 技术的优越性，其在全球得到迅速发展，著名咨询公司i n s t a t 2 0 0 6 年的调查报告显示【l 】，2 0 0 5 年仅中国市场使用的r f i d 标签数量就超过一 亿个，2 0 0 6 年仅第三季度我国r f i d 市场整体规模就达到7 7 8 亿人民币。据 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 i d c 预测，到2 0 1 0 年r f i d 跨行业应用总体市场规模将达到2 9 8 3 7 亿元人民 币，2 0 0 5 - - 2 0 1 0 年的复合年平均增长率高达8 2 4 。i d c 的分析师指出，中国 的r f i d 应用市场已经经过了导入期，进入初级应用阶段，在这一阶段频率以 低频和高频为主，应用多种多样并且已经成熟。我国国内目前r f i d 的应用覆 盖政府、物流、制造业、交通运输、通信等众多行业，超高频r f i d 主要应用 领域包括供应链、人员票据管理、资产管理和车辆管理等。目前，r f i d 技术 给国内外企业带来了显著的经济效益，产品包装是否带有r f i d 标签的企业在 国际上明显具有好的竞争优势，能否具有r f i d 能力已经成为衡量企业竞争力 的新标准，中国作为世界制造大国，为适应与国际接轨的需要，国内很多企业 都开始关注r f i d 技术的发展和应用情况。 目前，r f i d 技术在国外得到相当好的发展，各种标准制定也比较完备， 中国在低频和高频方面应用多种并且逐渐走向成熟，但是却没有制定出相应标 准，中国政府在积极投入人力物力进行r f i d 技术研究，力求制定自己的r f i d 技术标准，掌握具有自主知识产权的核心r f i d 技术，因此研究r f i d 技术具 有相当重要的现实意义。 r f i d 技术的一个重要特点就是非接触式通信，阅读器和标签通过天线实 现数据通信，天线是发送和接收无线电波的装置【，】，在一个完整的r f i d 系统 中，天线分为阅读器天线和标签天线，根据工作频率分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、 超高频( u h f ) 和微波频段，r f i d 天线设计在其各个工作频段上有很大的不同， 同时不同频段的r f i d 系统对该系统的性能要求有很大的不同 4 1 ，由于切脏和 微波频段的r f i d 系统应用更为广泛，其系统也更加复杂，因此研究u h f 和 微波频段的高性能i 讧i d 天线更有理论意义和实际价值。 1 2 国内外研究现状 随着r f i d 技术的应用需求逐渐扩大，对r f i d 天线的设计也提出了更高 的要求，需要设计出各种高性能的天线以满足各种需要，在r f i d 系统中，阅 读器天线多使用圆极化天线，主要以微带贴片天线和螺旋天线为主；标签天线 多为蚀n 冲压天线或印刷天线，一般多采用偶极子或其变形形式，多采用线 极化方式。 r r f o s t e r 与r a b e r b e r r y _ 【】对r f i d 天线的设计问题进行了探讨，并列举 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 了一些设计实例，对r f i d 天线设计的结构形状、尺寸大小、极化方式、带宽 特性、辐射方向特性等进行了分析。k v s e s h a g i r ir a o p a v e lv n i k i t m 与s a n d e r e l a m t s j 对标签天线的设计进行了回顾并给出一个实际应用实例j 并且给出了一 个完整的r f i d 标签天线设计步骤，这三人在其另一篇文章【6 】中对设计标签天 线和芯片的遇到的匹配问题进行了研究，提出匹配问题可以由功率传输系数来 衡量。新加坡的x i a n m i n gq i n g 与n i n gy a n g _ f n 设计了一副工作于2 4 5 g h z 的折 叠偶极子天线，其输入阻抗可随天线形状进行自由调节。日本的y o s h i h i d e y a m a d a 与w o o n gh y u nj u n g 和美国的n a o b u m im i c h i s h i t a t 8 1 设计了一些用于 r f i d 标签的极小天线，天线结构采用弯曲折线的形式。s t e d j i n i ，t p v u o n g 与v b e r o u l l e 【9 】则第一次提出了采用分形天线来设计u h f 和微波频段r f i d 标 签天线。s y c h e n 与p h s u v 0 l 设计了一种工作于c 波段( 5 8 g h z ) 的缝隙天线作 为标签天线，其有很好的全向辐射特性，增益和带宽也满足需要，是缝隙天线 的在r f i d 标签天线上的成功应用。标签天线设计的难点在于与标签芯片进行 阻抗匹配以进行最大功率传输同时其结构尺寸不能太大，因而设计有一定挑战 性，当前研究人员采用各种天线形式来设计满足不同需求的r f i d 标签天线。 阅读器天线是r f i d 天线设计的另一重点，阅读器天线一般采用圆极化方 式，采用的形式有单天线或天线阵。阅读器天线多采用微带贴片的形式，其结 构多种多样。新加坡的x i a n m i n gq i n g 与n i n gy a n g 等利用缝隙耦合的形式设 计了一种工作于2 4 5 g h z 频段的微带圆极化天线) 用于该频段的r f i d 阅读器 天线。r a u m o n e n 等人将电磁带隙( e b g ) 结构引入阅读器天线设计，这样降低 了螺旋曲线天线的高度【1 2 】。2 0 0 5 年，日本藤仓、三洋电机和日本t a c h y o n 联合 开发出此案用晶圆级封装( w l p ) 技术的微波波段r f i d 片上天线，运用片上天 线实现了较长的传输距离。中国的w e n m i n gl i u ，h u a n s h e n gn i n g 与b a o f aw a n g 设计了一种2 2 的圆极化微带天线阵 1 3 1 做为r f i d 阅读器天线，该系统用于高 速公路收费系统( e t c ) ，是r f i d 技术在发展智能交通系统( i t s ) 上的一个实际 应用。另外s k p a d h i ，n c k a r m a k a r 与c l l a w 设计了一个用于r f i d 阅读器 的双极化2 2 微带贴片天线阵，该天线工作与s 波段( 2 4 5 g i - i z ) ，其具有很 高的增益和隔离特性，其设计非常适合该频段r f i d 系统的应用。 如今，标签天线和阅读器天线的研究正逐渐深入，研究者采用各种类型的 天线应用于r f i d 系统，频段也从低频转入到高频、超高频与微波频段，从采 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用单片天线转入到天线阵的使用，各种研究正如火如荼地进行。 1 3 本课题主要研究工作及内容安排 本课题在查阅国内外相关r f i d 阅读器天线文献资料的前提下，对u h f 频段的r f i d 阅读器天线进行研究，给出一些可行性方案，并进行实际天线的 设计，通过试验仿真来验证研究结论。文中对微带贴片天线在r f i d 天线中的 应用进行了研究，设计了一个工作于s 波段( 2 4 5 g h z ) 的圆极化微带贴片阅读 器天线，并以其为原型单元进行阵列天线的研究，对阵列天线在远距离、高增 益的r f i d 天线系统中的应用进行了可行性研究。 本文的内容包括以下几个部分： 第一章绪论介绍了本课题的研究背景与意义，并对当前r f i d 阅读器天 线的研究进展与现状进行介绍。 第二章对r f i d 系统原理进行简要的介绍，简要介绍了r f i d 系统的软硬 件组成，并对其分类进行了简要划分。 第三章对微带贴片天线原理进行介绍，介绍了微带天线的设计方法和分析 微带天线的传输线分析法。 第四章对单片式微带阅读器天线的设计方法进行了讨论，文中对天线所采 用的基板材料、尺寸的计算、馈电方式和极化方式进行了分析，并设计了一款 圆极化贴片阅读器天线，仿真结果表明其性能适合做r f i d 阅读器天线。 第五章对微带天线阵在阅读器天线上的使用进行了讨论，文中对阵所采用 的形式和馈电方式进行了分析，并对阵间距对天线阵性能的影响进行分析，并 且以第四章中所用的单片天线为阵元原型设计出一款四元固定波束面阵，仿真 结果表明该面阵可运用于r f i d 阅读器天线的设计。文中最后仿真了一个1 6 元面阵，结果说明了随阵元增加，天线总体增益也增加，但是天线的波束宽度 变窄和体积变得更大结构也更复杂，因此在r f i d 阅读器天线的设计上需要综 合考虑这些因素。 最后对文章进行了总结，分析了其中的问题并对未来工作进行了安排。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章r f ld 系统简介 射频识另i ( r f i d ) 技术是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种自动识别技术，它是一 项通过无线电波来传送识别信息，进行双向通信，从而达到非接触式自动识别 目的的识别技术。 2 1r f i d 技术发展历史 从其工作原理上看，射频识别技术在低频段是基于变压器耦合模型，在高 频段基于雷达探测目标的空间耦合模型。1 9 4 8 年哈里斯托克曼( h a r r y s t o c k m a n ) 发表的“利用反射功率的通信【1 5 1 ”一文奠定了射频识别技术的理论基 础，其发展经历了如下历程【1 】： 2 0 世纪4 0 5 0 年代，雷达的应用催生了射频识别技术，1 9 4 8 年哈里斯托 克曼的论文为其发展奠定了理论基础。 2 0 世纪6 0 7 0 年代早期，一些公司引入了无线射频识别系统，他们开始 开发电子商品监视设备来保护财产，如商店的衣服、图书馆的书等。早期的无 线射频识别系统是只有l b i t 的标签系统，容易建立，使用便宜，标签不需要电 池，简单地附加在商品上，一旦靠近一个阅读器就会触发报警，阅读器通常放 在门口，用于探测标签的存在。 2 0 世纪7 0 一8 0 年代早期，7 0 年代随着集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的 发展，这个时期基于集成电路的标签技术不断发展，且具有了可写的内存，读 取速度更快，识别范围更远， 到8 0 年代早期，无线射频识别技术更为成熟，从美国的铁路车辆识别到 欧洲跟踪家禽，同时其也用于野生动物的研究，用于跟踪罕见的或濒危的物种。 2 0 世纪9 0 年代到如今，被动标签迅速发展，被动标签的应用广泛，包括 门禁控制系统、航班行李识别、汽车防盗、动物识别、电子商品监视、文件跟 踪、电子付费与运动计时等。9 0 年代早期被动标签多用与低频( l f ) 和高频( h f ) 频段，系统在读取范围和数据传输速度上都受到限制，读取范围在几厘米到几 十厘米之间，读取速度也不高。9 0 年代末期，超高频( u h f ，u l t r ah i g hf r e q u e n c y ) 被动标签的出现把标签的读取速度和读取范围结合的更好，且以较低的价格使 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 被动标签能走出价格的限制，因此其在物流行业中得到很好的应用，如货箱跟 踪、货架控制、仓库管理等。 本世纪初，一些国家的零售商( 如沃尔玛公司) 和政府机构( 如美国国防部) 都开始推进射频识别技术的应用，要求他们的供应商提供射频识别的使用，与 此同时e p cg l o b a l 开始形成了电子产品码网络( e l e e h o n i cp r o d u c tc o d e n e t w o r k ) ，其制定的一系列标准正成为r f i d 技术的行业标准。 作为世界制造业的大国，中国政府一直致力与r f i d 技术的发展，并于2 0 0 6 年6 月发表了中国射频识别技术政策白皮书，文中提出了中国发展r f i d 技 术的战略，给出了总体发展目标、指导思想和原则、发展途径和实施进程，提 出了要发展自己的关键技术和优先发展的领域。中国信息产业部于2 0 0 7 年4 月发布了u h f 频段r f i d 技术的应用试用频段划分，文中规定了8 0 0 9 0 0 m h z 频段p f i d 技术的天线技术指标。 现在，无线射频识别技术正在改变和改进各地的商业和工业活动，r f i d 技术带来的便利及经济效益使其有了更广泛的应用前景。 2 2r f i d 系统的工作原理 射频识别通过无线传送的数据来检测和识别带有标签的物体，其通常需要 一个标签( 应答器) 和个读写器，标签和读写器上都有天线，标签附在被识别 的物体上，读写器通常连接到电脑主机或其他必要智能设各，用以处理标签数 据并给出对标签操作的指令，图2 - 1 给出一个r f i d 系统工作原理图n | 】。 图2 - 1p f i d 工作原理 图2 - l 所示的这些基本单元几乎适合全部的射频识别方案，通常由标签和 读写器组成，电子标签内存有一定格式的电子数据，以此作为待识别物品的标 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 识信息。应用中把电子标签附在待识别的物品上，作为待识别物品的电子标记， 读写器通常按一定的通信协议与标签互传信息，通常是由读写器向电子标签发 送命令，电子标签根据收到的读写器指令，将内存中的标识性数据传给读写器， 这个通信过程是在无接触的方式，通过交变磁场或电磁场的空问耦合及射频信 号调制与解调技术实现的。标签进入读写器的读写范围后，如果接收到读写器 发出的特殊射频信号，就能凭借捕获的能量发送出存储在芯片中的产品信息 ( 无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 有源标签或主动标签) ， 读写器在读取信息并解码后，将数据送至主机或网络进行有关的数据处理。 2 3r f i d 系统的组件 一个完整的r f d 系统包括硬件组件和软件组件。硬件部分包括标签、读 写器、主机等其他外设；软件包括r f 系统软件、中间件和主机应用程序等。 231r f i d 系统的硬件组件 l 标签 标签是一个微型的无线收发装置，在其内存内保存有数据，当读写器查询 它时就会发送数据给读写器。图2 2 是一些常见标签形式，它通常由一个带内 存的集成电路和天线组成，当一个标签受到查询时，它的内存中的数据就会发 o 图2 2 常见标签形式 送出去，标签能执行的基本任务包括读内存、写内存或以其他方式处理内存中 的数据，如加密等。 标签的类型可分为被动标签、主动标签和半主动标签。常见多为被动标签 q a s 葫v e t a 曲，缘于其成本低r 容易制造。带电源的标签称为主动标签( a c t i r e t a g ) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 通常其内部带有一个电池，其具有更远的识读范围、更好的精确性、更复杂的 信息交换能力和处理能力，但成本稍高且寿命有限。半主动标签也有电池，它 的能量来自标签上电池的供电，利用这个电池操作标签上的集成电路、执行简 单任务，与主动标签的区别在于它是利用读写器的电磁场来“唤醒”标签。表 2 1 对标签的特性做了小结。 表2 1 标签特性小结 类型描述 芯片 有芯片常见，有带内存的i c ，可进行简单运算 无芯片少，利用标签材料特性，用于数据传递，无数据处理能力，达 到范围远和准确 被动不需电池，识读范围近，准确性低，成本低 类型 主动要电池为i c 的操作提供能量，识读范围最远，准确性高，成本 也最高 半主动 仅在i c 操作时需电池供电，与被动标签比有更远的识读范围和 更好的准确性，与主动标签比成本更低。 只读 数据在制造时写入标签，标签能防篡改 内存可写一次 能写入一次数据，有一定灵活性，制造后可写数据，能防篡改 多次读写 应用最灵活，对数据篡改和重写要注意防范 2 读写器 读写器的功能首先是激活标签，对于被动和半主动标签，读写器提供必要 的能量激活在读写器范围内的标签，并读取存储在标签中的数据。对于能写入 数据进入标签的r f i d 系统，读写器不仅要从标签读出数据，也能写入数据到 标签上。 读写器不仅与标签进行通信，而且要与主机通信，以此实现r p i d 标签与 主机之间的数据传输。读写器通常是用以太网或串行口连接主机与之通信。如 果读写器是便携式或手持设备，读写器也可通过无线连接与主机通信。 3 主机 主机主要指与读写器通信的计算机，它运行应用程序或r f i d 中间件，处 理读写器传输过来的数据并给出相应的操作指令给读写器。 2 3 2r fid 系统中的软件组件 r f i d 系统的软件组件可分为三类：系统软件、中间件和主机应用程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 系统软件 r f i d 系统软件是标签和读写器之间进行通信必须要的功能集合，其基本 功能有如下【- 】： ( 1 ) ：读写功能：用于可写入的r f i d 标签，读写器通过向一个标签发送 指令来进行读或写数据，读写器提供的写入r f i d 标签的数据通常来自上层的 应用程序。 ( 2 ) ：防碰撞功能：当有多个标签同时出现在一个读写器范围内，就要使用 防碰撞的软件功能。 ( 3 ) ：错误探测与纠正：读写器从标签读取的数据可能有错误，读写器的软 件应该具备探测和纠正数据中的错误，检测和丢掉重复或不完整的数据。 ( 4 ) ：加密、认证和授权：这个用于确保交换数据的安全。 2 中间件 r f i d 中间件是在读写器和主机之间运行的一组软件，是在标签和读写器 上运行的系统软件和在主机上运行的应用软件之间的桥梁，中间件的主要功能 是： ( 1 ) ：控制r f i d 系统的基础设备，监视设备的工作状态。 ( 2 ) ：管理、处理r f i d 标签与读写器的数据流。 ( 3 ) ：提供与设备和主机的接口。 3 主机应用程序 主机应用程序接收由标签发出，经读写器和中间件软件处理过滤过后的数 据。一般的主机应用程序都是一个信息管理系统，多数情况下其是作为针对 r f i d 技术应用的新的软件程序购买和开发的。 2 4r f i d 系统的分类 2 4 1 根据系统工作频率划分 根据读写器发送无线信号所工作的频率来划分可化为：低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、 高频( 3 3 0 m h z ) 、超高频( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 与微波频段( 2 4 5 g h z 5 8 g h z ) 。低频 系统一般工作在1 0 0 5 0 0 k h z ，常见的工作频率有1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ；高频 系统工作在1 0 1 5 m h z 左右，常见的高频工作频率为1 3 5 6 m h z ；甚高频工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 频率为8 5 0 9 6 0 m h z ，常见的工作频率为9 1 5 m h z ；微波工作在2 4 5 g h z 的微 波频段。低频系统用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、动物监 管、货物跟踪；高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用：甚高频系统 应用于需要较长的读写距离和较高的读写速度的场合，如火车监控、高速公路 收费系统等。表2 2 显示了工作与不同频段系统的特性。 表2 2 工作在不同频段r f i d 系统性能【1 9 1 低频高频超高频 微波 频率 1 2 4 舭1 3 5 6 z 4 3 3 9 2 m h z 8 6 0 9 6 0 n 正i z 2 4 5 5 8 g h z 识别 约3 5 m ( p ) l r n ( p ) 距离 6 0 c m 约6 0 e r a 5 0 一1 0 0 m 1 0 0 m ( a ) 5 0 m ( a ) 比较比低频 长识别先进的i c特性与 高价，几低廉，适合距离，实时技术使低廉的9 0 0 m h z 频带 一般乎没有环短识别距离跟踪，对集生产成为可能，相似，受环境 特性境变化引和需要多重装箱内部湿多重标签识别影响大 起的性能标签识别的度、冲击等距离和性能最 下降应用 环境敏感 突出 运行 方式 无源型无源型无源型无源型有源型无源型有源型 识别 低速 - 高速 速度 环境迟钝 ， 敏感 影响 标签大型 - 小型 尺寸 p ：为无源标签a ：为有源标 2 4 2 根据标签能量供应 根据r f i d 标签能源来源，分为被动标签( p a s s i v et a g ) 、半主动( s e m i p a s s i v e ) 和主动( a c t i v e ) 标签，不同标签对应不同的r f i d 系统。 主动式的射频系统用自身的射频能量主动发送数据给读写器( 读头) ，调制 方式可为调幅、调频或调相。被动式的射频系统，使用调制散射方式发射数据， 它必须利用读写器的载波来调制自己的信号。主动式标签内部自带电池进行供 电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。另外，主动式标签可 以通过设计电池的不同寿命，对标签的使用时间或使用次数进行限制，它可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方。被动式标签内部不带电 池，要靠外界提供能量才能正常工作。被动式标签产生电能的典型装置是天线 与线圈。当标签进入系统的工作区域时，天线接受到特定的电磁波，线圈就会 产生感应电流，在经过整流电路时，激活电路上的微型开关，给标签供电。被 动式标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次 的地方。半主动标签系统也称为电池支援式反向散射调制系统。半主动标签本 身也带有电池，只起到对标签内部数字电路供电的作用，但是标签并不通过自 身能量主动发送数据，只有被阅读器的能量场“激活”时，才通过反向调制方 式传送自身的数据。 2 4 3 根据标签的可读写性 根据标签的读写性分为只读、一次写入多次读与多次读写标签，只读标签 内部只有只读存储器( r o m ) 乖d 随机存储器( r a m ) 。r o m 用于存储发射器操作 系统程序和安全性要求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成内 部的操作控制功能，如响应延迟时间控制、数据流控制、电源开关控制等。r a m 用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。只读标签中除了r o m 和r a m 外，一般还有缓冲存储器，用于临时存储调制后等待天线发送的信息。 可多次读写标签内部的存储器除了r o m 、r a m 和缓冲存储器之外，还有非活 动可编程记忆存储器。非活动可编程记忆存储器有许多种，e e p r o m ( 电可擦 除可编程只读存储器) 是比较常见的一种，这种存储器在加电的情况下，可以 实现原有数据的擦除以及重新写入。 2 4 4 根据读写器和标签天线的工作机理 根据读写器和标签天线的工作机理可分为电感耦合与电磁场反向散射耦 合( 雷达原理) r f i d 系统。电感耦合为变压器耦合型，为读写器上的天线线圈 与标签上的天线线圈之间的耦合，标签天线进入读写器的交变磁场中，该标签 就可以从磁场中获得能量。电磁反向散射耦合与雷达原理类似，阅读器检测来 至标签天线的反向散射波，通过改变散射的功率进行通信，读写器与标签的天 线相互处于对方的远场区，它们之间通过电磁波进行数据的传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章微带贴片天线 微带天线是带有导体接地板的介质基片和上贴导体薄片而形成的天线。微 带天线与通常微波天线相比有很多优点嘞】如：重量轻、体积小、低剖面的平 面结构，容易共型；制造成本低，易于大量生产；容易获得线极化和圆极化； 馈线与匹配网络可和天线结构同时制作等。同时它也有缺点如：频带窄；有损 耗、只向半空辐射；馈线与辐射元之间隔离差等。但是在实际中，其优点远远 超过缺点，且其缺点容易用其它技术来克服，因而微带天线得到广泛应用。 3 1 天线基本参数 3 1 1 方向图 天线的方向图又称波瓣图，是天线辐射场大小在空间的相对分布随方向变 化的图形【：o 】。天线的辐射场都具有方向性，方向性就是在相同距离条件下天线 辐射场的相对值与空间方向( 子午角护、方位角够) 的关系，其常用下面归一化 函数f ( 矽，妒) 表示： ，( 见咖= 厕f ( 8 , c p ) = 背 ( 3 - 1 ) 一( 6 ，妒)怍一l 其中，厶( 秒，劝为方向函数的最大值，e 一为最大辐射方向上的电场强 度，e ( e ，纠为同一距离( 秒，驴) 方向上的电场强度。 天线的方向图一般有多个波瓣，分主瓣、副瓣和后瓣，如图3 1 ( a ) 所示。 方向图一般有如下几个参数： 1 零功率点波瓣宽度( f i r s tn u l lb e a mw i d t h ，z n b w ) ：指主瓣最大值两边 两个零辐射方向之间的夹角。 2 半功率点波瓣宽度( h a l f - p o w e rb e a mw i d t h ，h p b w ) ：指主瓣最大值两 边场强等于最大值的0 7 0 7 倍( 或等于最大功率密度的一半) 的两辐射方向之间 的夹角，又叫3d b 波束宽度。 3 副瓣电平( s i d el o b el e v e r ，s l l ) ：指副瓣最大值与主瓣最大值之比， 一般以分贝表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 4 前后比：指主瓣最大值与后瓣最大值之比，表明了天线对后瓣抑制的 好坏，通常也用分贝表示。 b ) 嘲3 - 1 三维与二维方向图 方向图不能反映辐射在全空闻的分布状态，一般用方向系数定量表示天线 定向辐射的能力。方向系数定义为：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方 向上的辐射功率流密度s 。与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离 处的辐射功率流密度s o 之比，记为d ，即： d ：监：睦4 ( 3 - 2 ) s o l e o f 天线方向性系数的一般表达式为： 肚可赢蒜面 3 。 d 1 ，对于无方向性天线才有d = i 。d 越大，天线辐射的电磁能量就越集中， 方向性越强。它与天线增益密切相关。 31 2 天线效率 实际天线因为导体本身和其绝缘介质都要产生损耗，导致天线实际辐射功 率p 小于发射机提供的输入功率只，因此定义其比值为天线工作效率记为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 1 3 增益 p 驴t 。 ( 3 4 ) 增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想辐射单元在空间同一 点处所产生的信号功率密度之比，它定量地描述天线把输入功率集中辐射的程 度。增益g 启义为方向性系数与效率的乘积： g = r d( 3 - 5 ) 3 1 4 天线的极化 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。 具体的说就是在空间某一固定位置上，电场矢量的末端随时间变化所描绘的图 形。该图形如果是直线，就称为线极化。如果是圆，就称为圆极化。线极化又 可以分成垂直极化和水平极化，圆极化可分成左旋和右旋圆极化，当电场矢量 绕传播方向左旋变化时，称为左旋圆极化；当电场矢量绕传播方向右旋变化时， 称为右旋圆极化。圆极化波入射到一个对称目标上时，反射波是反旋向的。假 如沿波的方向看去，当它的电场矢量矢端轨迹是椭圆时，则称该天线为椭圆极 化波，其同样分左右旋，区别方法同圆极化波。图3 2 为极化示意图： 二 = 夕 、 岁 气= 校 乡 囊 o j 冬，j ，- ：- _ _ ? 妣悯婀 b ) 圆极化或椭圆极化c ) 极化椭圆 图3 2 天线极化方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 1 5 输入阻抗及其相关特性 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线的输入阻 抗为复数，定义为z a = b + 。，其中r 。为天线自身内阻的输入阻抗，x 。为 天线内阻的输入电抗。天线与馈线的连接，最佳情况是天线输入阻抗为纯电阻 且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，也即馈线上没有驻波， 天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。 天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能 地接近馈线的特性阻抗。