（生物医学工程专业论文）rfid射频电子标签天线的小型化.pdf

a b s t r a c t r f i d ( 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 ) i sak i n do fn o n - c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f y t e c h n o l o g y , i te n c o d i n gt h ei n f o r m a t i o no nt h er f i dc a r d ( t a g ) ，a n ds t i c kt h et a gt o g o o d st h a tn e e dt ob ei d e n t i f i e d ，s ow e c a nt r a c kt h eg o o dw h e ni ti sm o v i n g ，g e n e r a t i n g m o v i n g d a t a b a s e r f i dt e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r so fh i g hr e l i a b i l i t y , h i g hs e c u r i t y , c o n v e n i e n c ea n dq u i c k o t h e r w i s e ，b e c a u s eo fi t s h u g ed a t am e m o r y ,g r e a t c o n v e n i e n c eo fc h a n g i n ga n de n c o d i n gd a t a , a n ds c a ng o o d sb e y o n dv i s i o nd i s t a n c e s i m u l t a n e o u s l y , s u c ha sg o o d ss t o c k i n ga n dd i s t r i b u t i o n ，s u p p l yc h a i n , c o n l m e r c ea n d t r a d e ，m a n u f a c t u r i n g ，i d e n t i f i c a t i o n , a n ds e c u r i t ym a n a g e m e n t a sav i t a la n di n t e g r a l p a r to fr f i ds y s t e m ，r f i da n t e n n a sh a v er e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n ，a n dt h e i rd e s i g ni s v e r yu r g e n ta n ds i g n i f i c a n t i nf a c t , t h ed e v e l o p m e n to fr f i da n t e n n ai so ft h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ef o rt h er f i ds y s t e m f i r s t , ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h er f i dt e c h n o l o g yi sg i v e n , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e o fr f i ds y s t e ma n dr e l a t e dk n o w l e d g ea l ed e s c r i b e d ，t h ep o t e n t i a la n t e n n a sa l e d i s c u s s e d n e x ta n t e n n a sp r i n c i p l ei si n t r o d u c e db r i e f l y , a n dp a t c ha n t e n n a sp r i n c i p l e a n dp c bl o o pa n t e n n a sp r i n c i p l ea r ee x p a t i a t e dp a r t i c u l a r l y a n t e n n a sa n a l y s i sa n d d e s i g nm e t h o d sa n dn u m e r i ca n a l y s i ss o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d ，a n dh f s sf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) c o n c r e t e l ye x p a t i a t e d f i n a l l yt w os m a l ls i z e da n t e n n a sa r ep u t f o r w a r d 、析t hu p p e rt h e o r y , o n em i c r o w a v eb a n dm i c r o s t r i pa n t e n n aa n do n eu h fb a n d s q u a r el o o pa n t e n n aa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e di nt h e h f s ss o t h v a r e ，t w or e a l a n t e n n a sa r em a d ea n dm e a s u r e d , t h er e s u l t si n d i c a t e dt h e s ea n t e n n a ss a t i s f yo u r n e e d s k e y w o r d s ： r f i ds y s t e m t a g a n t e n n ad e s i g nm i n i a t u r i z a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：为乞彪 日期揪罗歹，j 驴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表相关论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人签名：型丕丝 导师签名： 日期h 域z ，矿 日期竺2 ：! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 射频识另i j ( r f i d ，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 ) 技术是利用无线射频方式进行 非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据的自动识别技术。与传统的自动识 别系统( 如条形码) 相比，r f i d 技术具有很多优势：可以定向或不定向的远距离读 取或写入数据，无需保持识别的目标可见；可以透过外部材料读取数据；可以在恶劣 环境下工作：可以同时处理多个电子标签；可以储存的信息量很大；可以通过r f i d 标 签对物体进行物理定位等等。 r f i d 技术最早起源于雷达技术的发展及应用，其历史可追溯到2 0 世纪初期： 大约在1 9 2 2 年，雷达诞生了，雷达发射无线电波并通过接收到的目标反射信号来 测定和定位目标的位置及其速度，其物理机制是r f i d 技术的工作基础。 a u t o l d 中心提出的e p c 和“物联网”概念，得到世界5 0 0 强跨国公司中大多数 企业和各国政府的支持，r f i d 技术由此得到迅猛的发展。 在美国，大型剃须刀生产企业吉列公司于2 0 0 3 年1 月宣布以低于1 0 美分的 单价购买5 亿个r f i d 标签并安装到每个商品进行实验，拉开了r f i d 在商业物流 领域的应用序幕。而世界最大零售商沃尔玛公司要求所有供应商的产品包装都要 加贴电子标签。此项行动单是在r f i d 电子标签的采购量上就达1 0 亿个。在政府 采购方面，美国国防部正在推进全面导入电子标签计划，要求其供应商从2 0 0 5 年 开始，在每年价值2 4 0 亿美元的运输箱、集装箱和包装箱上使用r f i d 标签。 在欧洲，1 0 家零售巨头中有4 家公司宣布从2 0 0 4 年开始使用r f i d 。英国零 售业巨头t e s o c 确定从2 0 0 4 年4 月起，在分配中心对非食品包装箱使用电子标签， 跟踪这些包装箱到各个商场。世界第五大零售商，德国麦德龙公司宣布，从2 0 0 4 年1 1 月将开始大幅扩展电子标签的应用试验一一“未来商店”：从供应商产品出厂 到摆上货架，将使用r f i d 标签对商品流通进行跟踪管理。其对象包括1 0 0 家供应 商、1 0 个物流网点、以及德国内2 5 0 家分店。 在日本，2 0 0 3 年1 0 月，日本经产省提出了电子标签的应用普及策略，并于 2 0 0 4 年5 月公布了日本的商品编码体系标准。日本为此成立了技术产业联盟，约 有1 0 0 家企业参与r f i d 相关技术的研究和开发，以及行业试点应用。 如图1 1 所示，根据国外咨询机构a b ir e s e a r c h 预测，全球r f i d 产业的市场 将从2 0 0 5 年的2 0 亿美元左右，迅速增长到2 0 0 9 年的8 0 1 0 0 亿美元。继条码之后， r f i d 技术正在成为全球贸易、制造业和供应链管理的基础，对全球各行业的生产、 流通和管理模式都将带来深刻的变革。r f i d 技术即将成为继互联网和手机之后， r f i d ( 射频电子标签) 天线的小型化 全球信息产业的又一场技术革命 图1 】r f i d 产品的市场前景 在中国r f i d 技术处于刚刚起步的阶段。1 9 9 3 年，我国政府颁布实施“金卡 工程”计划，加速我国国民经济信息化进程。1 9 9 6 年1 0 月，北京首都机场高速公 路天竺收费站安装了国内首个基于k f i d 技术的不停车收费系统，其设备是从美国 a m t e c h 公司引进。1 9 9 9 年，我国铁道部开始投资建设自动车号识别系统，于 2 0 0 0 年开始正式投入使用。2 0 0 1 年我国交通部宣布开发使用电子车牌管理系统， 在我国四川宜宾市建立了国内第一个r f i d 试验工程，用于市内车辆交通管理与 不停车收费。2 0 0 1 年7 月，上海市虹桥国际机场组合式电子不停车收费系统( e t c ) 试验开通。被国家经贸委和交通部确定为“高等级路电子收费系统技术开发和产业 化创新颂目的示范工程。2 0 0 2 年深圳皇岗海关与香港特别行政区共同建设粤港 不停车通关系统，在往来车辆上安装了具有防拆功能的r f i d 标签。2 0 0 8 年1 2 月 2 1 日，北京市区域内所有高速公路开始使用“速通卡”电子刷卡收费。 近年来，中国制定自己r f i d 标准的进程开始加速，技术研发和产业化准备工 作也在同步进行。2 0 0 4 年4 月底，中国政府加入了全球化标准组织e p cg l o b a l 成立e p cg l o b a lc h i n a 。2 0 0 5 年1 2 月，中国信息产业部宣布成立电子标签国家标 准工作组，负责起草、制定中国i l f i d 技术的国家标准。 中国是世界上最大的o e m ( o r i g i n a l e q u i p m e a t m a n u f a c t u r e ) 制造基地，例如 全球最大零售商沃尔玛，每年有7 0 货品是在中国生产和采购的。随着我国加入“世 贸”和世界经济一体化程加快，跨国公司利用k f i d 技术构筑起全球一体化的供应 链网络，没有标贴r f i d 标签的产品很难进入跨国企业的采购名单。i l f i d 技术正 在成为继环保之后的又一个非关税贸易壁垒。当“m a d ei nc h i n a 的产品远涉重洋走 第一章绪论 3 向世界的时候，必定要在产品里安装符合世界通用标准的r f i d 标签。国内厂商唯 有尽早掌握应用r f i d 技术，逐步与国际供应链的先进水平接轨，才能在激烈竞争 的国际市场内赢得存活的一席之地。研究r f i d 的关键技术，提升我国应用r f i d 技术的水平，已成为当前我国产业的迫切需要。与此同时，全球兴起的r f i d 应用 热潮，为我国电子信息产业带来了广阔的发展空间，r f i d 有望成为我国信息产业 的又一个新兴增长点。而只有掌握了自主知识产权的核心技术，我国的r f i d 产业 才能在全球竞争中占据一席之地，不会受制于人；才不会出现家电业、手机业那样 徒有自主品牌，实质为国外企业组装工厂的情景。只有掌握了自主知识产权的核 心技术，才能大幅度降低r f i d 技术的应用门槛，减轻国家和企业应用r f i d 技术 的负担，推动r f i d 技术在国内各个行业的普及应用。 1 2 研究现状与进展 在国外，r f i d 技术的研究已有相当长的历史，可以检索到的国外r f i d 专利 达到6 0 0 0 多项，其中5 0 以上是发明专利。在r f i d 标签的小型化方面：日本的 m a x e l l 公司己生产出只有米粒大小的r f i d 标签，用于1 3 5 6 m h z 射频识别系统， 该r f i d 标签中集成有作为天线的电感线圈。2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司制造出 世界上最小的r f i d 芯片“斗c h i p ”，使得电子标签嵌入纸内成为可能。2 0 0 1 年l o 月，大额的欧元纸币开始使用r f i d 防伪标识。2 0 0 2 年3 月，m i c r o m e n 公司和国 际纸业( i n t e r n a t i o n a lp a p e r ) 公司共同开发“纸质”芯片的封装技术。在r f i d 天线研 究领域也取得较大进展：2 0 0 1 年，f r a c t a la n t e n n as y s t e m 公司开发出应用于r f i d 系统的分形天线，包括标签天线和读写器天线。2 0 0 4 年，芬兰的r u a 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，降低了螺旋天线的高度。2 0 0 4 年，新 加坡的q i n g 等人利用缝隙耦合的形式制作了圆极化微带天线，用于2 4 5 g h z 频段 的r f i d 读写器。2 0 0 5 年，日本藤仓、三洋电机和日本t a h c y o n 宣布联合开发出 了采用晶圆级封装( w l p ) 技术的微波波段r f i d 片上天线。芯片尺寸为2 m m 见方， 天线所占的面积仅约1 2 m m 2 ，传输距离在1 0 e m 以上，运用片上天线实现了较长 的传输距离。同时还基于w l p 的厚膜树脂层形成技术，把硅底板与天线分开，利 用双层结构配置了天线。 值得关注的是，国外与r f i d 标签天线研究相关的文献大部分是针对特定标签 i c 的试验性研究，较少论述天线结构对r f i d 天线性能的影响，缺乏具有普遍意 义的天线设计理论和技术。 在国内，r f i d 技术的研究起步较晚。迄今为止，检索到的国内r f i d 专利很 少，7 0 以上是国外公司注册的，国内企业和高校申请的专利较少。在自主知识产 权的专利中，又以应用方面的专利为主，技术类型的发明专利很少。9 0 年代，国 4 r f d ( 射频电子标签) 天线的小型化 内几家公司先后引进国外的先进技术，开发了自己的射频识别系统。由兰州远望 公司与哈尔滨铁路科学研究所共同研制的自动车号识别系统已于2 0 0 0 年开始正式 投入使用。但国内5 0 以上的r f i d 企业主要是国外产品代理商，本身没有自己的 研发产品。有一部分企业有自主品牌，核心部件采用国外的o e m 模块，属于组装 产品。其技术水平和元器件价格受制于国外，价格高昂，且性能与国外产品尚有 不小差距。国内对r f i d 天线的研究主要是电感耦合型的r f i d 天线，对反射调制 式的r f i d 天线研究较少。由于知识产权观念淡薄等因素影响，国内r f i d 产业界 对r f i d 天线专利问题没有引起足够的重视，普遍借用国外的r f i d 天线式样，为 将来可能出现的知识产权纠纷埋下隐患，有重蹈v c d 和d v d 行业前车之覆的危 险。 1 3 论文主要工作及内容安排 本文的主要工作是为r f i d 系统设计满足应用要求的天线，并对天线进行了制 作和测量。本文根据微带天线的原理，通过开槽等手段，设计了一种具有紧凑结 构的小型化微带天线，给出了仿真与测量结果，结果满足设计要求。 本文的内容安排如下： 第一章绪论，介绍了选题的背景和研究的价值及意义；介绍了目前r f i d 系统 的研究现状及进展。同时，指出了本文的主要工作及内容安排。 第二章简要介绍了r f i d 系统和r f i d 技术，阐述了r f i d 系统的工作原理， 并介绍和讨论了r f i d 系统的天线类型及主要性能指标，介绍了r f i d 系统的典型 应用，总结了r f i d 天线的设计要点，目前的难题以及相关规范及标准。 第三章对天线理论进行了简单的介绍，并对其中微带线理论进行了重点的阐 述，说明了微带天线的优缺点，介绍了微带贴片天线分析与设计的方法。并对p c b 环形天线理论进行了介绍。最后介绍了天线设计中的数值计算软件，着重介绍了 h f s s 有限元方法。 第四章根据上述理论，设计出两种天线形式，分别是2 4 5 g h z 的微带贴片天 线和9 2 0 m h z 的p c b 环形天线，并在h f s s 软件中进行仿真，得到理论结果。然 后分别加工出天线实物，并用仪器测试。 第二章r e i d 系统 第二章r f i d 系统 2 i r f i d 系统简介 射频识别( 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 简称r f i d ) 技术是9 0 年代兴起的自动 识别技术。它是一项利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信 息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。 通常情况下，r f i d 的应用系统主要由读卡器和r f i d 标签两部分组成的，如 图21 所示。其中，读卡器一般作为计算机终端，用来实现对r f i d 卡的数据读写 和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。而r f i d 卡则是一种无源的 应答器，主要是由一块集成电路0 c ) 芯片及其外接天线组成，其中r f i d 芯片通 常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一 芯片上。r f i d 系统的基本工作原理是r f i d 卡进入读写器的射频场后，由其天线 获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将携带信息的感应电流通过射 频前端电路检出数字信号，送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则 从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写 器。可见，r h d 卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。一方面， 无源的r f i d 卡芯片要具备在启动电路工作时可通过自身天线从读写器天线获得足 够的电磁能量的功能，另一方面，r f i d 标签天线应具备与读卡器之间的通讯信道 和通讯方式。 电茁主机 阻 。影三 图21 典型的r f i d 系统 标签天维 ￥芯。 一 标签 6 r f i d ( 射频电子标签) 天线的小型化 2 2r f i d 系统分类 对于采用被动式标签的射频识别系统而言，根据工作频段的不同具有两种工 作模式。一种是感应耦合( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 工作模式，这种模式也称为近场工 作模式，它主要适用于低频和高频r f i d 系统；另一种则是反向散射( b a c k s c a t t e r i n g ) 工作模式，这种模式也称为远场工作模式，主要适用于超高频和微波 r f i d 系统。 l 近场天线工作模式 感应耦合模式主要是指读写器天线和标签天线都采用线圈形式。当读写器在 阅读标签时，发出未经调制的信号，处于读写器天线近场的电子标签天线接收到 该信号并激活标签芯片之后，由标签芯片根据内部存储的全球唯一的识别号( d ) 控制标签天线中电流的大小。这一电流的大小进一步增强或者减小阅读器天线发 出的磁场。这时，读写器的近场分量展现出被调制的特性，读写器内部电路检测 到这个由于标签而产生的调制量并解调并得到标签信息，如图2 2 所示。当r f i d 的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中，r f i d 天线与读写器天线之间的相互作 用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。由r f i d 的 线圈天线形成的谐振回路，包括r f i d 天线的线圈电感l 、寄生电容c 。和并联电 1 容c ，其谐振频率为：f = ；一，( 式中c 为c 。和c ，的并联等效电容) 。 磁场 图2 2 近场r f i d 系统示意图 r f i d 应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的i d 一1 型 非接触式i c 卡的外观为- d , 型的塑料卡( 8 5 7 2 m m x 5 4 0 3m m x 0 7 6m m ) ，天线线 圈谐振工作频率通常为1 3 5 6m h z 。目前已研发出面积最小为0 4 m m o 4r m t l 线 圈天线的短距离r f i d 应用系统。 某些应用要求r f i d 天线线圈外形很小，且需一定的工作距离，如用于动物识 第二章r f i d 系统 7 别的r f i d ，但如若线圈外形即面积小，r f i d 与读卡器间的天线线圈互感m 不能 满足实际需要，作为补救措施通常在r f i d 天线线圈内插入具有高导磁率p 的铁氧 体，以增大互感，从而补偿线圈横截面减小产生的缺陷。 2 远场天线工作模式 在反向散射工作模式中，读写器和电子标签之间采用电磁波来进行信息的传 输。当读写器对标签进行阅读识别时，首先发出未经调制的电磁波，此时位于远 场的电子标签天线接收到电磁波信号并在天线上产生感应电压，电子标签内部电 路将这个感应电压进行整流并放大用于激活标签芯片。当标签芯片激活之后，用 自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行变化，当电子标签天线和标签芯片之 间的阻抗匹配较好时基本不反射信号，而阻抗匹配不好时则将几乎全部反射信号， 这样反射信号就出现了振幅的变化，这种情况类似子对反射信号进行幅度调制处 理。读写器通过接收到经过调制的反射信号判断该电子标签的标识号并进行识别。 标签 图2 3 远场工作模式示意图 远场天线主要包括微带贴片天线，偶极子天线和环形天线。 微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成 的。根据天线辐射特性的需要，可把贴片导体设计为各种形状。通常贴片天线的 辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长，假设辐射电场沿导体的横向与纵向 两个方向没有变化，仅沿约为半波长丸2 的导体长度方向变化。则微带贴片天线 的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定，因此， 一般适用于通讯方向变化不大的r f i d 应用系统中。 偶极子天线，在远距离耦合的r f i d 应用系统中，最常用的是偶极子天线( 又 称对称振子天线) 。偶极子天线由处于同一直线上的两段粗细和等长均相同的直导 线构成，信号由位于其中心的两个端点馈入，使得在偶极子的两臂上将产生一定 的电流分布，从而在天线周围空间激发出电磁场。辐射场的电场可由下式求的： r f l d ( 射频电子标签) 天线的小型化 岛= f ，崛= f ，皇) 丛r s n o c o s ( a z c o s 舭( 2 - 1 ) b 沿振子臂分布的电流，n 为相位常数，f 是振子中点到观察点的距离， 唰r 的夹角，为单个振子臂的长度。同样，也可以得到天线的输入阻 回波损耗s 、带宽和天线增益等等特性参数。 卜振子臂的长度f = a 4 时( 半渡振子) 输入阻抗的电抗分量为零，天线输 见为一个纯电阻。在忽略电流在天线横截面积内不均匀分布的条件下 殴子天线设计可以取振子的长度l 为a 4 的整数倍，如工作频率为2 4 5 波偶极子天线，其长度约为6c i n 。 i 给出了目前几种已经设计出的天线形式，包括线圈天线，折叠偶极于天 圈24 各种r f i d 天线 2 3r f i d 天线的主要性能指标 r f m 天线的大部分性能指标和一般的天线类似，只是在参数的要求上有 下面介绍这些性能指标。 寺性 第二章r f i d 系统 9 任何实际天线的辐射都具有方向性。 表示出来，则被称之为( 振幅) 方向图， 的场强同方向的关系曲线。一般情况下， 当把辐射场的振幅与方向的关系用曲线 即天线方向图就是远区任意方向上某点 如无特殊说明，方向图均般指归一化的 方向图。归一化的方向图就是远区任意方向上某点的场强与同一距离的最大场之 比同方向的关系曲线。定义方向图函数为 f ( o ，伊) = l e ( p ，驴) l 式( 2 - 2 ) 式中，是e ( o ，9 ) 的最大值。 2 天线效率 天线效率是用以度量天线转换能量的有效性的指标。通常，天线效率均小于1 ， 表示天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分即为损耗功率。 3 方向性系数 方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度( 即方向性图 的尖锐程度) 的一个参数。为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定 向天线作为比较的标准。 任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定 向天线的总辐射功率与该定向天线的总辐射功率之比。按照上面的定义，由于定 向天线在各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置 而不同，在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。通常如果不特别指出，就 以最大辐射方向的方向性系数作为定向天线的方向性系数。 4 天线增益 天线方向性系数仅仅反映了天线辐射能量的集中程度，而天线增益则不仅反 映天线的辐射能力，还考虑了天线的损耗因数。 天线增益= 方向性系数天线效率 5 阻抗特性 天线的输入阻抗可以用天线馈电点处的电压与电流之比来表示。它通常是一 个复阻抗，并且是频率的函数。r f i d 天线的阻抗应该设计成5 0 q 或者是7 5 q ，以 便于和常规的馈线实现阻抗匹配。 6 频带宽度 天线的频带宽度是指在天线的诸如增益、主瓣宽度、输入阻抗等均满足要求 的条件下所辐射的电磁波的频率范围，或者称为天线的工作带宽，简称天线带宽。 在本课题中，天线的各项电指标是随着频率变化的，因而天线带宽也就取决 于各项电指标的频率特性。若同时对几项电指标有要求，以其中最为严格的作为 确定天线带宽的依据。般主要考察天线的阻抗频率特性。 1 ) 天线带宽的表示方法 天线带宽有两种表示方法：相对带宽和倍频带宽。相对带宽是指天线的绝对带宽 1 0 r f i d ( 射频电子标签) 天线的小型化 ( 工作频率的上限频率与下限频率之差) 与工作频带内中心频率之比。倍频带宽 是指工作频带的上限频率与下限频率之比。 2 ) 天线带宽的限制因数 a ) 方向图带宽 当频率偏离设计频率时，可能发生主瓣指向偏移、主瓣分裂、副瓣电平增大、 前后辐射比下降等。当方向图恶化到不能满足设计者要求时就限定了方向图带宽。 一般高频段方向图易迅速恶化，方向图带宽是限制上限工作频率的主要因素。 b ) 增益带宽 增益下降到允许值时的频带宽度称为增益带宽。对于r f i d 天线来说，天线尺 寸变小，增益明显下降，所以增益带宽限定了下限工作频率。 c ) 阻抗带宽( 输入阻抗带宽) 天线的阻抗带宽可以用馈线上的电压驻波比表示。根据设计者的要求，以驻 波比小于某一规定值时的频带宽度作为天线的阻抗带宽。 无源r f i d 天线在频率偏离设计频率时，其电尺寸会发生变化，输入阻抗会随 之发生变化，从而造成天线与传输线的失配，最终导致频带变窄。 7 驻波比 在考察天线和馈线连接的品质好坏时，驻波比和回波损耗是两个重要的参数。 在匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射 波。在这种情况下，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。 在不匹配的情况下，馈线上同时存在入射波和反射波。在入射波和反射波相位相 同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅圪。，形成波腹；而在入射波和反射波相 位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅圪一形成波节。其它各点的振幅值则 介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。反射波电压和入射波电压幅度之 比叫做反射系数，记为r 。 r = 反射波幅度 入射波幅度z l + z o 式( 2 3 ) 波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数，也叫电压驻波比，记为v s w r 。 坶掀=婆堕皇堕堕鏖垡：生墨 波节电压幅度 l r 式( 2 - 4 ) 终端负载阻抗z l 和特性阻抗z o 越接近，反射系数r 越小，驻波比v s w r 越 接近于1 ，匹配也就越好。 2 4 工作频率和典型应用 目前，国际上常用的r f i d 系统大多工作在i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n d m e d i c a l ) 频段，即供工业、科研和医疗机构使用的频段。 第二章r f i d 系统 详细的频段划分见表2 1 。 频段系列 典型频段应用领域 1 3 5 k - i z 系列低频：1 0 0 广泛用于动物识别、进出控制、物品追 5 0 0 k h z 踪等管理。本频段的使用在大多数国家 一般不受控制。 1 9 5 8 2 m h z 系电子物品监视，多用于零售业或物品防 列 盗领域。 1 3 m h z 系列中频：1 0 1 5 m h z可用于小区物业管理，大厦门禁系统， 电子物品监视及i s m ( 工业、科学和医 疗行业) 等。 2 7 m h z 系列 应用于工业、科学和医疗行业 4 3 0 - - 4 6 0 m h z 系 应用于工业、科学和医疗行业 列 9 0 2 - 9 2 6m h z 系 u h f g s m 移动电话网、铁路车辆识别、集 列装箱识别等。部分地区用于公路车辆识 别与自动收费系统。 2 3 5 - - 2 4 5 g h z 系 应用于工业、科学和医疗行业 列 5 8 6 8 g h z 系列非管制频段，其中5 8 g h z 在部分国家 已定为智能交通系统应用频段( 如公路 车辆管理与自动收费系统) 。 表2 1r f i d 天线频段划分 这些频段并非全球通用，在不同的国家仍有不同的限制。在u h f 或微波频段 的限制通常是指辐射功率的限制，并对发射机的输出功率以及天线的增益也都有 所限制。 2 5 微波r f i d 系统的典型应用 r f i d 技术的应用相当广泛，可以毫不夸张的预测，任何一种应用如果成为 现实，都将会孕育一个庞大的市场。r f i d 将是未来一个新的经济增长点。 ( 1 ) 高速公路自动收费： 将r f i d 系统用于高速公路自动收费，能够在携带有电子标签的车辆高速通 过收费站的同时完成收费，提高了车辆在收费处的通过率。2 0 0 1 年7 月上海市虹 桥国际机场组合式电子不停车收费系统( e t c ) 试验开通。被国家经贸委和交通部确 定为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目的示范工程；香港已有 8 0 多辆过往关口的车辆使用了速通卡一驾易通，大大加快了通关速度。 ( 2 ) r q 禁控制： r f i d 系统可以方便、安全的用于门禁保安，同时用于出入口安全检查、考 勤及公司财产监控等方面。由于系统可同时识别多个电子标签，消除了上班前排 队打卡的现象。 1 2 r f l d ( 射频电子标签) 天线的小型化 ( 3 ) 生产自动化： 用r f i d 技术在生产流水线上能实现自动控制、监视，提高生产效率，改进 生产方式，节约成本。例如：德国宝马汽车公司在装配流水线上应用电子标签实 现了生产用户定制的汽车。 ( 4 ) 仓储管理： 将r f i d 技术系统用于仓储货物管理能有效解决仓储货物信息管理问题。对 于大型仓储基地来说，管理中心可以随时了解货物位置、货物存贮情况，对于提 高仓储管理效率、反馈产品信息、指导生产都有重要意义。 ( 5 ) 铁路运输管理： 在火车运营中使用r f i d 系统的最大优势在于火车是按规定路线运行的，所以 可在沿途安放读写器以便监控火车的运行。通过读到的数据，能够辨认火车的身 份、监控火车的运行安全及火车的完整性，同时在车站能将车辆进行重新编组。 铁道部于1 9 9 9 年开始投资建设自动车号识别系统，并于2 0 0 0 年开始正式投入使 用，作为电子清算的依据。射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段，但是 它的发展潜力是巨大的，在不久的将来r f i d 技术就将同其它识别技术一样深入我 们的生活、改善我们的生活。 2 6 设计要点 r f i d 天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方 向图，阻抗特性，驻波比，天线增益，极化方向和工作频段等特征，天线特性也 收到所贴附物体形状及物理特性的影响，例如，高频磁场不能穿透金属或导磁材 料，金属物附近磁力线形状会发生改变，而且，由于磁场能在金属表面引起涡流， 由楞次定律可知，涡流会产生抵消激励磁通量，导致金属表面磁通量大大衰减， 读写器天线发出的能量被金属吸收，读写距离就会大大减少。另外，液体对电磁 信号有吸收作用，弹性基层会造成标签及天线变形，宽频带信号源( 如发动机， 水泵，发电机) 会产生电磁干扰等，这些都是设计天线时必须细致考虑的问题， 目前，根据天线的以上特征提出了多种解决方案，如采用曲折型天线以解决尺寸 限制，采用倒f 型天线以解决金属表面的反射问题等。 天线的目标是将最大的能量传输电路中，这就需要仔细的设计天线和自由空间 以及其电路的匹配，天线匹配程度越高，则辐射性能越好。当工作频率增加到超 高频区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题更加突出。传统的天线设计中 是通过控制天线尺寸和结构，并使用阻抗匹配转换器等措施来实现输入阻抗与馈 线相匹配的。一般天线是5 0 或7 5 欧姆阻抗，而在r f i d 系统中，芯片的输入阻抗 可能是任意值，并且很难在工作状态下稳定测试，天线的设计也就难以达到最佳。 第二章r f i d 系统 对于近距离r f i d 应用，天线般与读写器集成在起，对于远距离r f i d 系 统，读写器天线和读写器一般采用分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆连接。 一般来说，方向性天线由于具有较少的回波损耗，比较适合标签应用；由于标签 防止方向不可控，读写器天线一般采用圆极化方式。读写器天线要求低剖面、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。国外 已经开始研究在读写器应用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。 2 7 目前的难题 虽然目前r f i d 发展呈现出良好的势头，但是还存在不少亟待解决的问题。从 大的方面讲，r f i d 天线的应用和发展面临着标准化问题。国际上对r f i d 天线没 有制定统一的标准，不同制造商所开发的通讯协议互不兼容，阻碍了未来r f i d 产 品的互通和发展。从小的方面看，技术和成本仍是产业化过程中比较大的障碍。 目前天线的研究重点放在阻抗匹配、降低损耗、减小体积、增加增益和辐射效率 等方面，而对天线在不同使用环境下的有效作用距离、读写速率、误读率和相关 软件的研究很少。可以预期的是，以后的r f i d 天线将朝着成本低、速率高、印刷 集成化、环境适应性强、误读率小和保密性好的方面发展。 2 8 相关规范及标准 在r f i d 应用中，目标跟踪存在相当大的潜在市场。电子标签或应答器不仅有 可能在国内流通也可在国外流通，这就要求电子标签与国外的阅读器相兼容。因 此，电子标签或应答器必须与国外的射频标准或相关规范相兼容。而与之相关的 规范主要包括国家标准和国际标准。这些相关的制定标准的组织有： 国际通信联合会 i t u ( t h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 欧洲邮电和通信管理协会 c e p t ( t h ee u r o p e a nc o n f e r e n c eo f p o s t a la n dt e l e c o m m u n i c a t i o n sa d m i n i s t r a t i o n s ) 欧洲电信标准化研究所 e t s i ( t h ee u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e s ) 欧洲联合通信委员会 f c c ( t h ef e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 1 4 r f i d ( 射频电子标签) 天线的小型化 邮电和电信部 m p t ( t h em i n i s t r yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 无线电工业和商业委员会 a r i b ( t h ea s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i e sa n db u s i n e s s e s ) 国际标准化组织 i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 第三章天线基本理论 3 1 1 天线的辐射场 第三章天线基本理论 3 1 天线理论 参照图3 1 所示，考虑最简单的点电流源天线及其辐射场，假定位于坐标原点 的电流源沿z 轴放置，其电流幅度为i ，长度为l ( 1 踟，则电流源密度了可以表示 为 了= 刀万( ) 乏 式( 3 1 ) 图3 1 参照系中的点电流源 则其产生的电磁场可由下式给出 三2 t 户+ 矽：岛口 式( 3 - 2 ) 1 日= 耳产+ 4 + 磊0 p i 其中 t = 罟( t + 爿删可街 岛嘲舄( + 面l k 互l r 2 s i n 叭啪 易= 0 i - , = = 0 q = j 石k ( “志 咖良e 啪 ，7 = 也石称为媒质的波阻抗，对自由空间刁= 厮= 1 2 0 疵。 t 和占为媒质的磁导率和介电常数。 k ：娶称为空间中的波数，名为工作波长。 式( 3 3 ) 1 6 r f i d ( 射频电子标签) 天线的小型化 由上式可以看出，天线的辐射场与其距源点的距离有关，依据不同距离处的 电磁场特点，常把天线的场分为：天线的近场( 感应场) 和天线的远场( 辐射场) 。 当冰 1 时，电流源的电磁场主要由l r 项决定。由( 3 4 ) 式得到： l 既= ，竺s i n 0 e - j g r 二=式( 3 5 ) 1 42 尝枷e - 归 式( 3 5 ) 表明：在远离场源的区域，电流源的电磁场只有和门，分量。而且其 电磁场矢量之比为定值，因此辐射的问题常常讨论电场而不再关心磁场；相应的玻 印廷矢量为实数，这说明远区电磁能量沿传播方向产向外传播，这就是电磁辐射。 这种场又被称为辐射场。在讨论电磁场时，要引入瑞利条件。在此区域中，球面 波可以近似看作为平面波，即电磁场矢量位于同一平面内。实际上，平面波是不 存在的，因为它必须是理想的点源产生的场。但是，在距场源较远即满足瑞利条 件时，近似认为该场源产生了平面波。这一条件被称为瑞利条件，即： ，堡 式( 3 - 6 ) 旯 其中r 表示离开天线的距离，d 表示场源的最大尺寸。 当讨论辐射场时，不仅要满足远区场的条件，而且要满足瑞利条件。由此可 见，天线产生的电磁场在近区为感应场，在远区为辐射场。这一结论对r f i d 系统 是有意义的，因为在低频( 如1 3 5 k h z ，1 3 5 6 m h ) z 工作的r f i d 系统，电磁能量的 传送是在感应场区域中完成，称为感应祸合式系统。在高频段( 如8 6 0 - - - 9 6 0 m h z ， 2 4 5 0 m h z ) - y 作的r f i d 系统，电磁能量的传送是在辐射场区域中完成，称为反射 调制式系统。感应藕合式系统和反射调制式系统其能量产生和传送的方式不同， 因此所对应的r f i d 系统的前端部分和天线等问题中存在特殊性。在系统设计时必 须予以考虑。 第三章天线基本理论 1 7 3 1 2 天线的阻抗 天线的输入阻抗是在天线输入端所呈现的阻抗， 电流之比。通常天线的输入阻抗是一个复数，即： z = r a + j x 定义为天线输入端的电压与 式( 3 7 ) 式中也为天线输入阻抗的实部，包括辐射电阻和损耗电阻，以为天线输入阻抗的 虚部