RFID标签天线的研究现状及热点问题探讨.doc

RFID标签天线的研究现状及热点问题探讨金颖妮1，郑正奇1，王秀贞1，2，张彦波1（1. 华东师范大学信息学院电子系 上海 200241；2. 枣庄学院 枣庄277160）摘要 本文从介绍RFID系统的基本原理开始，分析了RFID标签天线对于整个RFID系统的重要性，总结了RFID标签天线的设计要求以及近期国内外对各类别标签天线的研究状况，根据其设计原理提出改进思想，最后探讨并分析了近期标签天线的设计热点。关键词RFID；标签；偶极子天线；缝隙天线；弯折1引言射频识别(radio frequency identification，RFID)是一种使用射频技术的非接触自动识别技术，具有传输速率快、防冲撞、大批量读取、运动过程读取等优势，因此，RFID技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重大的应用潜力。目前，射频识别技术的工作频段包括低频、高频、超高频及微波段，其中以高频和超高频的应用最为广泛。2RFID技术原理RFID系统主要由读写器（target）、应答器（RFID标签）和后台计算机组成，其中，读写器实现对标签的数据读写和存储，由控制单元、高频通信模块和天线组成，标签主要由一块集成电路芯片及外接天线组成，其中电路芯片通常包含射频前端、逻辑控制、存储器等电路。标签按照供电原理可分为有源（active）标签、半有源（semi-active）标签和无源（passive）标签，无源标签因为成本低、体积小而备受青睐。RFID系统的基本工作原理是：标签进入读写器发射射频场后，将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理，需要回复的信息则从标签存储器发出，经逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回读写器1。3RFID系统中的天线从RFID技术原理上看，RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能。在标签与读写器数据通信过程中起关键作用是天线，一方面，标签的芯片启动电路开始工作，需要通过天线在读写器产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式。因此，天线尤其是标签内部天线的研究就成为了重点。3.1RFID系统天线的类别按RFID标签芯片的供电方式来分，RFID标签天线可以分为有源天线和无源天线两类。有源天线的性能要求较无源天线要低一些，但是其性能受电池寿命的影响很大；无源天线能够克服有源天线受电池限制的不足，但是对天线的性能要求很高。目前，RFID天线的研究重点是无源天线。从RFID系统工作频段来分，在LF、HF段(如6.78 MHz、13.56 MHz)工作的RFID系统，电磁能量的传送是在感应场区域（似稳场）中完成，也称为感应耦合系统；在UHF段(如915 MHz、 2 400 MHz)工作的系统，电磁能量的传送是在远场区域（辐射场）中完成，也称为微波辐射系统。由于两种系统的能量产生和传送方式不同，对应的RFID标签天线及前端部分存在各自特殊性，因此标签天线分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。感应耦合系统使用的是近场感应线圈天线，由多匝电感线圈组成，电感线圈和与其相并联的电容构成并联谐振回路以耦合最大的射频能量；微波辐射系统使用的远场辐射天线的种类主要是偶极子天线和缝隙天线，远场辐射天线通常是谐振式的，一般取半波长。天线的形状和尺寸决定它能捕捉的频率范围等性能，频率越高，天线越灵敏，占用的面积也越少。较高的工作频率可以有较小的标签尺寸，与近场感应天线相比，远场辐射天线的辐射效率较高。3.2RFID标签天线的设计要求RFID标签天线的设计要求主要包括：天线的物理尺寸足够小，能满足标签小型化的需求；具有全向或半球覆盖的方向性；具有高增益，能提供最大的信号给标签的芯片；阻抗匹配好，无论标签在什么方向，标签天线的极化都能与读写器的信号相匹配；具有顽健性及低成本。在选择天线时主要考虑：天线的类型，天线的阻抗，应用到物品上的RF性能，当有其他物品围绕标签物品时的RF性能2。4RFID标签天线的类别和研究现状标签天线主要分为3大类：线圈型、偶极子、缝隙（包括微带贴片）型。线圈型天线是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁心上；偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，天线的长度决定频率范围1；缝隙型天线是由金属表面切出的凹槽构成，其中微带贴片天线由一块末端带有长方形的电路板构成，长方形的长宽决定频率范围。识别距离小于1 m 的中低频近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线；1 m 以上的高频或微波频段的远距离应用系统需要采用偶极子和缝隙型天线。4.1线圈型天线当标签线圈天线进入读写器产生的交变磁场中，标签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。由标签天线形成的谐振回路如图1所示，包括标签天线的线圈电感（L）、寄生电容(Cp)和并联电容(C2)，其谐振频率为：，式中C为Cp 和C2 的并联等效电容1。标签和读写器双向通信使用的载波频率就是f。当要求标签天线线圈外形很小，即面积小，且需一定的工作距离，RFID标签与读写器间的天线线圈互感量(M)就明显不能满足实际需求，可以在标签天线线圈内部插入具有高导磁率()的铁氧体材料，以增大互感量，从而补偿线圈横截面小的问题1。 目前线圈型天线的实现技术已很成熟，广泛地应用在身份识别、货物标签等RFID系统中，但是对于频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID应用场合，采用线圈型天线难以实现相应的性能指标。4.2偶极子天线偶极子天线具有辐射能力好、结构简单、效率高的优点3, 可以设计成适用于全方位通信的RFID系统，被广泛应用于RFID标签天线的设计，尤其是在远距离RFID系统中。偶极子天线及其演变形式如图2所示。偶极子两臂上的电流分布在天线周围空间激发起电磁场，利用麦克斯韦方程可以求出其辐射场方程：Iz为沿振子臂分布的电流，为相位常数，是振子中点到观察点的距离，为振子轴到的夹角，l为单个振子臂的长度1。传统半波偶极子天线的最大问题在于对标签尺寸的影响，如915 MHz的半波偶极子。研究表明，端接的、倾斜的、折叠的偶极子天线可以通过选择合适的几何参数来获得所需的输入阻抗，具有增益高、频率覆盖宽和噪声低的优点，性能非常出色，且与传统半波偶极子天线相比尺寸要小很多，若配合铜焊电气端子和不平衡变压器，还能最大限度地提升增益、阻抗匹配和带宽。已知增加天线的弯折次数有利于在不降低天线效率的情况下减小天线尺寸，那么，如何在有限的空间下进行“弯折”，“弯折”的具体参数对标签天线的谐振频率和输入阻抗有何影响？怎样“弯折”的RF效率最高？我们知道，具有分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点，应用到天线设计上可以实现天线多频段特性和尺寸缩减特性。国内外对具有分形结构的天线做了大量研究工作，证实了分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间内大幅度提高天线效率4。图3是Hilbert分形结构的一般示例。对半波振子的不同位置和维度使用Hilbert分形变换，并用矩量法对Hilbert标签天线进行仿真，能得到标签天线的谐振频率和输入阻抗随分形维数和阶数不同的仿真结果，分析结果中的天线增益和效率，判断哪种维度和阶数的标签天线最符合实际标签天线的设计要求，进一步制作实体天线，并测试RF识别距离，这是常用的研究方法。4.3缝隙（包括微带贴片）型天线缝隙天线具有低轮廓、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带与有源器件和电路集成为统一的组件等特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大降低成本5。微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体所构成，根据天线辐射特性，可以设计贴片导体为各种形状。普遍应用于频率高于100 MHz的低轮廓结构，通常由一矩形或方形的金属贴片置于接地平面上的一片薄层电介质（称为基片）表面所组成，其贴片可采用光刻工艺制造，使之成本低，易于大量生产。如前所述，弯折型天线有利于减小标签天线的物理尺寸，满足标签小型化的设计要求。对于缝隙天线来说，同样可以利用弯折的概念。事实上，弯折缝隙天线适用于高频微波段的RFID标签，能有效减小天线尺寸，性能优良，具有广阔的市场前景。研究方法和弯折偶极子天线类似，用矩量法研究缝隙弯折的次数、高度、位置、宽度和缝隙天线平片大小对矩形天线谐振特性的影响。弯折缝隙天线结构如图4所示，平片大小为LW，缝隙弯折宽度和高度分别为s和h，缝隙离馈电点中心距离为I，下面讨论这些参数的变化对缝隙天线的谐振特性、反射系数、天线效率等影响。 弯折次数的影响：考虑4种情况，矩形长直缝隙(没有弯折)，2、4和6个对称矩形弯折，分析仿真结果显示的4种天线的辐射方向图和反射系数（ S111）图，可以得出当弯折次数增加，谐振频率、增益、阻抗带宽随弯折次数不断下降，谐振点阻抗变化不大。 h的影响：随h的增加，谐振频率与阻抗逐渐减小，S11值递增，增益递减，-10 dB阻抗带宽也逐渐减小。 I的影响：随着弯折与馈点中心距离的增大，谐振点阻抗递减，谐振点处的S11值逐渐增大，天线其他参数基本不变。 s的影响：随s增大，谐振频率随弯折宽度微降，其他参数变化不大。 平片大小LW的影响：随LW的减小，谐振频率微降，谐振点阻抗呈增大趋势，但增幅减缓，说明天线对电流的阻碍增加，增益下降。仿真结果显示4种弯折天线的天线效率都较高，接近1005。基于弯折的各参数对缝隙天线性能的影响，可根据实际需要设计UHF射频识别标签用的缝隙天线，制作具体的实物天线。可以预计，弯折缝隙天线将是UHF标签天线设计领域比较看好的发展方向5。5RFID标签天线的热点问题在RFID标签天线的设计中，除了一直很受重视的减小物理尺寸问题，进一步改善小型化后的天线带宽和增益特性以扩展其实际应用范围，分析小型化天线的交叉极化特性以明确其极化纯度也是重要的研究方向，另外，覆盖各种频率的复合天线设计，多标签天线优化分布技术，读写器智能波束扫描天线阵技术，设计仿真软件和平台，标签天线和附着介质匹配技术，一致性抗干扰性和安全可靠性技术等都是值得继续研究的内容。其中，片上天线技术是近期研究的热点问题。RFID 技术应用领域的不断扩展,使RFID 标签对小型化、轻量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不断提高，然而目前的RFID 标签仍然使用片外独立天线，其优点是天线Q（品质因素）值较高、易于制造、成本适中。缺点是体积较大、易折断，不能胜任防伪或以生物标签形式植入动物体内等任务6。若能将天线集成在标签芯片上，无需任何外部器件即可进行工作，将会使整个标签体积更小、使用更方便，这就引发了片上天线技术的研究。把天线集成到片上，不仅简化了原有的标签制作流程，降低了成本，还提高了可靠性。片上天线作为能量接收器和信号传感器决定了整个系统的性能，它的基本出发点是利用法拉第电磁感应原理，把外界变化的磁场能量转化为片上的电源电压，作为整个芯片的工作电源，同时利用电磁场变化引起的片上电流或电压的变化来鉴别接收信号。通过改变由于自身输出阻抗导致的外界磁场变化而把信号传输至接收端。迄今为止，在标准CMOS工艺上实现的片上天线仍然以硅基集成螺旋电感作为主要结构7。除了RFID标签内部的设计，近年来外部设计，例如RFID智能平台（smart table）天线等领域的研究也日渐受到重视8。参考文献1陈华君.RFID技术原理及其射频天线设计.厦门大学学报（自然科学版），2005（44）2胡杨.基于微带线馈电的无源RFID天线的研究.北方交通大学硕士论文，20063赖晓铮.偶极子RFID标签天线研究.科学技术与工程，2006，6（14）4赖晓铮.基于Hilbert分形结构的RFID标签天线.华南理工大学学报（自然科学版），2006，34（6）5周永明.RFID标签用缝隙天线分析与设计.暨南大学学报（自然科学版），2007，28（1）6刘冬生.RFID标签芯片的最新研究进展.微电子学报，2007，37（6）7元媛.射频识别（RFID）技术综述.半导体技术，2006，31（11）8Cai A. High frequency RFID smart table antenna. Microwave and Optical Technology Letters,2007,49 (9)Recent Advances and Discussion on Antenna Researchfor RFID TagJin Yingni1, Zheng Zhengqi1, Wang Xiuzhen1，2， Zhang Yanbo1(1. Electronics Department of East China Normal University, Shanghai 200241, China;2. Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China)Abstract This paper begins with basic principles of RFID system, analyzes the tag antennas importance for the whole RIFD system, summarizes some design requirements for RFID tags antenna, then reports research situations of ki