RFID天线基础知识

2010 5 13 RFID天线基础知识 一 RFID系统组成 二 天线基础知识 2010 05 13 alay 2010 5 13 一 一 RFID系统的基本组成部分系统的基本组成部分 v最基本的RFID系统由三部分组成 v标签 Tag 由耦合组件及芯片组成 每个标 签具有唯一的电子编码 附着在物体上标识 目标对象 v阅读器 Reader 读取 有时还可以写入 标签 信息的设备 可设计为手持式或固定式 v天线 Antenna 在标签和读取器间传递射频 信号 2010 5 13 RFID无线识别电子标签基础介绍 v无线射频识别技术 Radio Frequency Idenfication RFID 是一种非接触的自动识 别技术 其基本原理是利用射频信号和空间基本原理是利用射频信号和空间 耦合 电感或电磁耦合 或雷达反射的传输耦合 电感或电磁耦合 或雷达反射的传输 特性 实现对被识别物体的自动识别特性 实现对被识别物体的自动识别 2010 5 13 vRFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分 电子标签是射频识别系统的数据载体 电子标 签由标签天线和标签专用芯片组成 依据电子 标签供电方式的不同 电子标签可以分为有源 电子标签 Active tag 无源电子标签 Passive tag 和半无源电子标签 Semi passive tag 有源电子标签内装有电池 无源射频标签没有 内装电池 半无源电子标签 Semi passive tag 部分依靠电池工作 2010 5 13 v电子标签依据频率的不同可分为低频电子标电子标签依据频率的不同可分为低频电子标 签 高频电子标签 超高频电子标签和微波签 高频电子标签 超高频电子标签和微波 电子标签 依据封装形式的不同可分为信用电子标签 依据封装形式的不同可分为信用 卡标签 线形标签 纸状标签 玻璃管标签 卡标签 线形标签 纸状标签 玻璃管标签 圆形标签及特殊用途的异形标签等 圆形标签及特殊用途的异形标签等 vRFID阅读器 读写器 通过天线与RFID电 子标签进行无线通信 可以实现对标签识别 码和内存数据的读出或写入操作 典型的阅典型的阅 读器包含有高频模块读器包含有高频模块 发送器和接收器发送器和接收器 控控 制单元以制单元以及阅读器及阅读器天天线 线 2010 5 13 RFID工作工作原理和原理和相关相关原理原理知知识识 v其中 电子标签又称为射频标签 应答器 数据载体 阅读器又称为读出装置 扫描器 通讯器 读写器 取决于电子标签是否可以无 线改写数据 电子标签与阅读器之间通过耦 合组件实现射频信号的空间 无接触 耦合 在 耦合通道内 根据时序关系 实现能量的传 递 数据的交换 2010 5 13 发生在阅读器和电子标签之间的射频 信号的耦合类型有两种 v 1 电感耦合 变压器模型 通过空间高频交 变磁场实现耦合 依据的是电磁感应定律 v 2 电磁反向散射耦合 雷达原理模型 发射 出去的电磁波 碰到目标后反射 同时携带 回目标信息 依据的是电磁波的空间传播规 律 2010 5 13 v电感耦合方式一般适合于中 低频工作的近 距离射频识别系统 典型的工作频率有 125kHz 225kHz和13 56MHz 识别作用 距离小于1m 典型作用距离为10 20cm v电磁反向散射耦合方式一般适合于高频 微 波工作的远距离射频识别系统 典型的工作 频率有 433MHz 915MHz 2 45GHz 5 8GHz 识别作用距离大于1m 典型作用 距离为3 l0m 这里说的高低频定义不同 不需要太计较 2010 5 13 两种耦合模型 电感耦合模型电磁反向散射耦合型 2010 5 13 二 天线基础知识 1 RFID天线知识 2 天线基本概念 3 RFID标签天线读距问题 2010 5 13 1 RFID天线知识 标签天线设计时考虑的因素 v1 天线的形状或类型 v2 天线的阻抗 即芯片的选择 v3 应用到物品上的RF特性 v4 在有其他的物体周围绕贴标签物品时的 RF性能 2010 5 13 注释 v所谓的应用到的物品上的RF特性 是指比如 金属环境下 用HF和UHF标签天线比较 HF标签天线可在天线底部加上一定厚度的 铁氧体材料 从而减弱金属环境的影响 UHF标签天线 如果应用环境为金属表 面 则在设计时完全可以把金属环境考虑进 模拟环境中去进行仿真设计 甚至 这样得 到的设计结果 会比应用于非金属环境的标 签读取距离更远 2010 5 13 没反射板时的E面方向图带反射板时的E面方向图 金属板就可以充当反射板的作用 从而提高天线增益 但 同时牺牲掉了全向性 成为定向天线 2010 5 13 2 天线基本概念 v 方向图 v 波束宽度 v 旁瓣 v 增益 v 极化方式 驻波比 天线带宽 阻抗 2010 5 13 方向图 v发射发射天天线的基本线的基本功能之功能之一是一是把从馈把从馈线线取得取得的的 能量向周围能量向周围空间空间辐辐射射出去出去 基本 基本功能之二功能之二是是 把大把大部分部分能量朝所需能量朝所需的的方向辐方向辐射 射 v垂直放置垂直放置的的半半波对波对称振称振子子具具有有平放平放的的 面面包包圈圈 形的形的立立体体方向图方向图 图图1 3 1 a 图图1 3 1 b 与与 图图1 3 1 c 给出了它给出了它的的两个主平面方向图两个主平面方向图 平平 面方向图描述天面方向图描述天线线在某指定平面上在某指定平面上的的方向方向性 性 2010 5 13 方向性定义 E面 指通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量 的平面 H面 指通过天线最大辐射方向并平行于磁场矢量 的平面 2010 5 13 波束宽度 v主瓣宽度定义 指方向图主瓣上两个半功率 点 即场强下降到最大值的0 707倍处或分贝 值从最大值下降3dB处对应的两点 之间的夹 角 v主瓣宽度有时又称为半功率波束宽度或3dB 波束宽度 一般情况下 天线的E面和H面方 向图的主瓣宽度不等 可分别记为和 2010 5 13 波束宽度 2010 5 13 水平水平波波瓣瓣3dB宽度宽度 3dB Beam width Horizontal v定向天线 30 65 90 105 120 全向天 线 360 2010 5 13 旁瓣 旁瓣 主瓣 E面方向图三维方向图 旁瓣 也就是所谓的副瓣 就标准的半波对称阵子而言 天线不会产生副瓣 如果是1 4 波长对称阵子 则会产生副瓣 所以 从能量方面来讲 天 线设计都选择半波对称阵子 让能量尽量集中 2010 5 13 注释 v半波对称阵子 如图所示 天线有两臂 每臂长1 4个波长 波长计算公式 光速 波长 频率 自由空间 13 56M波长 22m 900M波长 333mm 2010 5 13 增益 天线通常是无源器件 它并不放大电磁信 号 天线的增益是将天线辐射电磁波进行聚 束以后比起理想的参考天线 在输入功率相 同条件下 在同一点上接收功率的比值 显 然增益与天线的方向图有关 方向图中主波 束越窄 副瓣尾瓣越小 增益就越高 可以 看出高的增益是以减小天线波束的照射范围 为代价的 2010 5 13 几个有用的增益表示含义 vdB dBm dBi dBuv vdB 仅仅是个相对值 dB 10log P1 P2 比如A 基站的发射功率是600mw B基站是300mw 那么A基 站比B基站发射功率高10lg 600 300 3 dB 从 公式中可以看出dB是表征两个功率的相对值 是没 有单位的 dB是一个无单位的量纲 vdBm 是 一 个 考 证 功 率 绝 对值 的值 公 式为 dBm 10lg 功率 1mW 如我们常用的基站是500mw 换算成dBm就是10lg 500mW 1mW 27dBm 意思是 27dB毫瓦 还有一个单位dBW是将公式中的1mW改 成1W 其他都一样 1W 30dbm 1mw 0dbm 1W 0dbW 2010 5 13 dBi 前面已解释过 表征相对值 dBi是天线增益 的概念 不是具体单位 i是isotropic 各向同性 简 写 实际上就是dB dBuV 和dBm相同的概念 我们在场强仪和手机测 试模式上看到的基站场强单位都是它 和dBm的关 系是 dBm 10lg 功率 1mW dBuv 20lg 电压 1uv 功率 电压的平方 50欧姆 如果端口阻抗是50欧姆 一般系统都是 所以 dBuv dBm 107 dB 一标准的偶极子天线 其增益为2 15dB 所以 一 般设计出的标签天线 其增益不可能大于2 15dB 2010 5 13 极化 v天线的极化定义为 在最大增益方向上 作 发射时其辐射电磁波的极化 或作接收时能 使天线终端得到最大可用功率的方向入射电 磁波的极化 v极化方式 线极化 圆极化 vRFID读卡器天线一般采用的是圆极化方式 为了达到更大的读取距离 也有采用线极化 方式的 标签天线一般为线极化方式 2010 5 13 驻波比 v天线驻波比表示天馈线与收发信机匹配程度 的指标 RFID标签中可以理解为表示标签天 线与标签的匹配程度 vVSWR 1 1 反射系数 v VSWR 1 VSWR 1 vRL 回波损耗 20lg 10lg 反射功率 入 射功率 v反射系数 2 反射功率 入射功率 2010 5 13 50 ohms Return Loss 10log 10 0 5 13dB 2 0 05 VSWR 1 56 前向前向 10W 反反向向 0 5W 9 5 W 以传统天线为例 如上图所示 在工程应用中 一般要求 VSWR小于1 5就行了 VSWR理想值为1 表示完全匹配 无损耗 2010 5 13 阻抗 天线可以看做是一个谐振回路 一个谐振回路当然 有其阻抗 我们对阻抗的要求就是匹配 和天线相 连的电路必须有与天线一样的阻抗 和天线相连的 是馈线 天线的阻抗和馈线必须一样 才能达到最 佳效果 v输输入阻抗与天入阻抗与天线的线的结构结构 尺寸以尺寸以及及工作工作波波长长有有关关 半半波对波对称振称振子是子是最重要最重要的的 v基本基本天天线 线 其其输输入阻抗入阻抗为为Zin 73 1 42 5 欧欧 2010 5 13 vRFID标签天线中 比如NXP G2XM芯片 其 阻抗为24 j195 则理想状态下 天线设计 阻抗应为24 j195 才会匹配 不考虑其他 因素情况下 v阻抗匹配与反射系数密切相关 2010 5 13 带宽 v无论无论是发射是发射天天线线还还是接收是接收天天线 线 它们总它们总是是在在一一定定的频率的频率范围范围 频 频带宽度带宽度 内工作内工作的 的 天天线的频线的频带宽度带宽度有有两种两种不同的不同的定定 义义 v一一种种是是指 在驻指 在驻波波比比SWR 1 5 条件下条件下 天天线的线的工作工作频频带带 宽度宽度 v一一种种是是指 天指 天线线增益增益下下降降3 分分贝贝范围内范围内的频的频带宽度带宽度 v在在移移动动通通信系统信系统中中 通常通常是是按按前前一一种定义种定义的 的 具具体的体的说说 天天 线的频线的频带宽度带宽度就就是是天天线的线的驻驻波波比比SWR 不超不超过过1 5 时时 天天线的线的 工作工作频率频率范围范围 v一一般说来般说来 在工作在工作频频带宽度内带宽度内的的各各个个频率频率点点上上 天天线性线性能能是是 有有差差异的 异的 但这但这种种差差异异造造成的性成的性能下能下降降是可是可以以接接受受的 的 2010 5 13 带宽的表示种类 v天线带宽的表示方法通常有三种 v 1 绝对带宽 指天线能实际工作的频率范 围 即上下限频率之差 v 2 相对带宽 它由上下限频率之差与中心频 率之比来表示 v 3 比值带宽 指上下限频率之比 即 如10 1的带宽 2010 5 13 v绝对带宽不具保密性 对外界一般不用 一 般多采用后两种带宽表示 对中等及以下带 宽的天线 可采用相对带宽表示 对超带宽 天线则可采用比值带宽 2010 5 13 3 RFID标签天线读距问题 2 max 1 4 ttr th PGGs r P 超高频电子标签读取距离计算公式 2010 5 13 v为芯片最小促发功率 v为阅读器发射功率 v为阅读器天线增益 v为标签天线增益 2 max 1 4 ttr th PGGs r P th P t P t G r G 2010 5 13 v从前面的公式可以看出来 如果所选择的芯 片固定 读卡器固定 那么就只能通过增加 标签天线的增益来增加读距 天线与芯片 都匹配的情况下 v但是 标准的半波对称天线其增益为 2 15dB 所以 若设计出的为全向天线 其 增益一般不会大于2 15dB 而标签天线的增 益 同时也与天线的尺寸相关 标签天线越 小 其增益就越小 v所以 相同尺寸的天线 就只能通过设计良 好的匹配来达到更远的读取距离 2010 5 13 13 56M读取距离问题 v在13 56M电子标签中 读取距离通常要求并 没必要那么远 v影响HF电子标签读取距离的因素 除读卡器 功率外 v1 Q值大小 v2 天线尺寸 v3 标签芯片最小激活磁场 v4 天线设计频率 2010 5 13 v一般来说 Q值越大 读取距离越远 v一般来说 天线尺寸越大 读取距离越远 v一般来说 标签芯片要求的最小激活磁场越小 读 取距离