无源超高频RFID标签设计与实现

分 类 号 学号 M200970351 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 无源无源超高频超高频 RFIDRFID 标签标签设计设计与实现与实现 学 位 申 请 人： 张亚平 学 科 专 业： 机械电子工程 指 导 教 师： 陶 波 副教授 熊有伦 教 授 答 辩 日 期： 2012 年 1 月 11 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Design and Implementation of Passive UHF RFID Tags Candidate : Zhang Yaping Major : Mechatronic Engineering Supervisor : Associate Prof. Tao Bo Prof. Xiong Youlun Huazhong University of Science and Technology Wuhan, Hubei 430074, P. R. China January 11, 2012 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 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，即：学校有权保留 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 权华中科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 I 摘摘 要要 RFID 技术是物联网的重要支撑技术之一，近年来发展迅速。在超高频(UHF) RFID 系统中，读写距离是最重要的性能参数。影响无源 UHF RFID 读写距离的因素主要有读 写器的有效全向辐射功率(EIRP)、标签芯片的读写灵敏度以及标签天线的增益和阻抗匹 配程度。因此，标签天线的设计对无源 UHF RFID 系统的性能至关重要。论文详细研究 了基于偶极子天线的无源 UHF RFID 标签设计和优化方法， 在此基础上提出了一种结合 激光全息和 RFID 技术的双重防伪电子标签的设计并进行了原型实现。 论文首先研究了 RFID 标签设计的理论方法，重点研究了标签设计中的阻抗匹配原 理和天线阻抗测试方法。在无源超高频 RFID 标签设计中，为达到功率传输最大化，要 求天线阻抗为芯片阻抗的共轭。天线阻抗通过电磁仿真软件计算，并使用矢量网络分析 仪测试。 其次，论文提出了一种基于偶极子天线的小型化 UHF RFID 标签设计和优化方法。 偶极子天线由于结构简单、性能良好，在 RFID 中被广泛采用。论文在偶极子天线设计 基本方法和阻抗匹配方法的基础上，提出了基于天线结构参数的优化方法，并结合样品 制作和实验，验证了论文的优化方法正确可行。 最后，论文基于抗金属 RFID 标签设计原理，提出了一种激光全息和 RFID 技术相 结合的双重防伪电子标签设计方法。激光全息膜含有金属层，对普通 RFID 标签有极大 的影响。论文设计了一款共面倒 F 天线作为 RFID 标签天线，通过合理选择激光全息膜 的复合位置， 避免了激光全息膜对 RFID 标签的影响， 并通过实验验证了方案的可行性。 关键词：关键词：射频识别，标签设计，天线设计，偶极子天线，激光全息，倒 F 天线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 II Abstract Radio Frequency Identification (RFID), which is one of the most important technologies of Internet of Things (IoT), is developing quickly in recent years. In UHF RFID systems, the read range is the most important characteristic. For passive UHF RFID systems, the read range is determined by the EIRP of the reader, the read sensitivity of the tag chip, the gain of the tag antenna and the impedance match between the tag chip and tag antenna. So, the design of the tag antennas is critical to the performance of UHF RFID systems. In this thesis, the design and optimization method of passive UHF RFID tag based on dipole antenna is studied in details. And the design of a RFID embedded holographic label is proposed. First, the basic principles for RFID tag design are studied. The theory of impedance match and the measurement of antenna impedance are analyzed in details. For passive UHF RFID tags, the antenna impedance should be the conjugate to the chip impedance to achieve maximum power transfer. The antenna impedance could be calculated by electromagnetic simulation software and measured by vector network analyzer. Second, this thesis proposes a kind of design and optimization method of small UHF RFID tag based on dipole antenna. Dipole antennas, which are simple in structure and have excellent performance, are widely used in UHF RFID systems. Based on the basic principle of dipole antenna and impedance matching method, a small dipole antenna is designed and optimization is applied in its structure. Several prototypes are fabricated and the test results show that the design and optimization method is effective. At last, this thesis proposes the design of a RFID embedded holographic label, based on the design method of UHF RFID tags mountable on metal. The metal layer in holographic label seriously affects the performance of common UHF RFID tags. To overcome the effect of the metal layer, a kind of coplanar inverted F antenna is proposed for RFID tags, and the holographic labels are pasted onto the ground of the antenna. Several prototypes are fabricated and the test results show that the designed RFID embedded holographic label has a good read range. Keywords: RFID, tag design, antenna design, dipole antenna, holographic, Coplanar IFA 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 III 目目 录录 摘 要 . I Abstract. II 1 绪 论 . 1 1.1 课题来源 . (1) 1.2 课题背景、目的和意义 . (1) 1.3 国内外研究现状 . (3) 1.4 论文主要研究内容 . (6) 2 超高频 RFID 标签设计 . 8 2.1 RFID 标签设计原理 . (8) 2.2 标签设计验证方法 . (17) 2.3 标签仿真与实现 . (20) 2.4 小结 . (25) 3 基于偶极子天线的超高频 RFID 标签设计与实现 . 26 3.1 液体对 RFID 标签的影响 . (26) 3.2 偶极子标签设计 . (28) 3.3 偶极子标签的优化 . (43) 3.4 实验与测试 . (50) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 IV 3.5 小结 . (51) 4 激光全息 RFID 标签设计与实现 . 52 4.1 激光全息 RFID 标签 . (52) 4.2 激光全息 RFID 标签设计 . (54) 4.3 实验与测试 . (57) 4.4 小结 . (58) 5 总结与展望 . 59 5.1 全文总结 . (59) 5.2 未来展望 . (59) 致 谢 . (61) 参考文献 . (62) 附录 1 攻读学位期间发表的学术论文 . (66) 附录 2 攻读学位期间申请的国家专利 . (67) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源课题来源 本课题得到以下项目的资助： 1) 国家自然科学基金项目： “超细凸点芯片ACF 键合多物理场耦合过程建模、仿真与 控制”，批准号：50805060； 2) 国家自然科学基金项目：“柔性电子纳米薄膜结构多场诱导沉积制造及其性能调控” ， 批准号：91023033； 3) 教育部新世纪优秀人才支持计划，资助号：NCET-10-0414。 1.2 课题背景、目的和意义课题背景、目的和意义 无线射频识别 RFID(Radio Frequency Identification)技术，形成于上世纪 40 年代末， 是继承自雷达技术的一种新型自动识别技术1。经过不断的技术发展和改进，RFID 技 术在上世纪 90 年代开始逐渐实现了标准化，并实现了规模化应用。RFID 的基本原理是 利用无线射频信号实现对被标识物品的识别。 由于电磁波具有一定穿透性和较好的传播 能力，RFID 具有不受视线限制、非接触识别、识别速度快、识别距离远以及可同时识 别多个目标等优点。可读写 RFID 标签还具有存储数据容量大、可多次擦写、防伪性能 高等特点。 通常的 RFID 系统主要由标签(tag)、读写器(reader)和服务器组成，标签用于标识物 品，读写器进行信息采集，而服务器完成数据处理。RFID 系统通过通信频段分类，可 分为： 低频 LF(125kHz - 134kHz)、 高频 HF(13.56MHz)、 超高频 UHF(860MHz - 960MHz) 和微波(2.45GHz、5.8GHz)五类。从激励方式来分，RFID 系统又可分为有源、半有源和 无源三类。其中低频和高频 RFID 通过电感耦合的方式实现数据通信，读写距离一般不 超过 1m。而超高频和微波基于电磁波反向散射的原理，其读写距离可达 10m，有源标 签能实现更远的读写距离(可达几百米)。 RFID 作为一种自动信息采集技术，是物联网的重要支撑技术之一。进入 21 世纪以 来，在应用需求的推动下，RFID 技术形成了一个新的研究热潮，得到了快速的发展。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 2 当前，RFID 在全球的成功案例已有几千件，这些案例覆盖了物流管理、畜牧管理、图 书馆管理、 电子政务及交通管理等诸多领域。 据市场调查公司 IDTechEx 报告显示， 2010 年全球 RFID 市场规模已达到 56.3 亿美元，2011 年则预计将达到 58.4 亿美元。2010 年 全球总计售出标签达 23.1 亿枚，其中超高频标签达到 8 亿枚；而 2011 年则预计将达到 28.8 亿枚，其中主要的增涨来自超高频标签2。2010 年被定为我国的物联网元年，我国 的 RFID 技术发展迎来了新的契机。在国家的大力推动下，我国 RFID 技术研究与应用 发展迅速。江苏无锡、天津等地相继建立了 RFID 或物联网示范基地。据中国 RFID 产 业联盟统计3，2010 年中国 RFID 行业的市场销售总额为 121.5 亿元，2011 年预计将达 到 181 亿元，并将持续经历一个快速发展时期，市场前景广阔。 RFID 标签的市场占据了 RFID 行业的半壁江山，而且相对读写器等设备，标签属 于易耗品，需求量极大，标签的重要性不言而喻。在 RFID 系统中，服务器和应用软件 决定了系统数据处理和应用层面的性能，而读写器和标签则决定了系统数据采集的能 力。在实际应用中，RFID 标签附着在被标识物品上，读写器发射电磁波扫描读写范围 内的标签， 从而实现目标物品的识别。 标签识别率是评判系统数据采集能力的重要标准。 在 LF 和 HF 系统中，读写器通常一次读写一个标签，并且多数是在相对静止或者较慢 的相对速度下读取，读写的成功率较高。而在 UHF 或者微波频段的系统中，通常要求 读写器同时读取几个甚至几十个标签，或者在较快的相对速度下读取，这对标签的读取 性能提出了较高的要求。 当前技术条件下，UHF RFID 系统中，影响标签读写距离的主要因素是读写器有效 全向辐射功率、标签芯片的灵敏度(最低门限功率)和标签天线的设计。其中读写器的有 效全向辐射功率考虑到其环境影响以及与其他无线通信系统的干扰等因素， 在各个国家 都有明文规定，我国信息产业部在 2007 年发文规定读写器最大有效发射功率(ERP)为 2W4。标签芯片的灵敏度随着 IC 技术的进步而不断提高，目前 Impinj 公司的 Monza 4 芯片，其读取灵敏度可达-19.9dBm，写入灵敏度达-17.4dBm5。在读写器发射功率受限， 标签芯片灵敏度不可改变的情况下， 标签天线的设计对增大读写距离起到了决定性的作 用。 超高频 RFID 由于具有读写距离远、可实现多目标识别等优势，倍受当前各类应用 的青睐。超高频标签天线设计在一定程度上决定了系统的性能，是当前 RFID 技术研究 的热点之一。本文将通过实践结合理论分析的方法，由具体标签设计出发，讨论在实践 中总结的无源 UHF 标签设计和优化方法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 3 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 无源 UHF RFID 系统中，标签通过天线接收读写器发射的电磁波为芯片提供能量； 芯片对接收到的数据进行处理，并通过调制天线反向散射来反馈信号；读写器接收到有 效的数据反馈，便完成一次数据通信，如图 1.1 所示。在这个过程中，为了能接收到更 多的能量，要求标签天线有较大的增益；为了使天线传输给芯片的能量达到最大，要求 天线与芯片之间阻抗匹配。出于标签成本控制以及天线制造的工艺等因素考虑，标签阻 抗匹配不采用外接集总元件实现，而是通过调整天线结构实现。 RFID 读写器读写器 RFID 读写器读写器 天线天线 芯片芯片芯片芯片 标签标签 天线天线 能量能量+数据数据 调制的调制的 反向散射反向散射 图 1.1 UHF RFID 通信 超高频 RFID 标签的设计，首先要天线阻抗能够与标签芯片阻抗相匹配，其次要天 线有足够大的增益。经过多年的发展，超高频 RFID 标签的天线形式多种多样。 最常见的 UHF 标签天线为半波偶极子天线6, 7，如图 1.2 所示。半波偶极子天线具 有半全向辐射、辐射效率高、结构简单、制造成本低等优点，因而被广泛采用。理论上 偶极子天线的增益可达 2.15dBi，中心馈电的半波偶极子理论阻抗为 73+j42.5。半波偶 极子天线的缺点是尺寸过大， 在 915MHz(UHF RFID 工作频率)下的半波偶极子天线理论 长度大约为 164mm。 /2 图 1.2 半波偶极子天线示意图 为了缩减偶极子天线的尺寸，研究者们开发了多种偶极子天线的变形形式。 弯折偶极子8, 9，如图 1.3 所示，通过将偶极子天线的两臂弯折成 U 形来达到缩减 天线整体尺寸的目的。弯折偶极子天线的弯折线部分，由于其电流方向相反，产生的辐 射互相抵消，因而弯折偶极子天线的增益相比普通偶极子天线有所减小，且其导体总长 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 4 度要大于半波长。天线尺寸减小的另一个代价是天线带宽减小，但通过适当的天线结构 设计，能够使天线带宽满足使用要求，因此弯折偶极子天线是最常见的 UHF RFID 标签 天线形式。 图 1.3 弯折偶极子天线 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， 分形天线被广泛 用于对尺寸缩减有极高要求的标签天线设计中，其中 Hillbert10、Peano11和 Koch12、 Sierpinski13分形曲线较为多见。阶数越高的分形曲线，其空间填充性也越高，在相同的 面积下，曲线的总长度越长。因而在一个较小的尺寸下，能够设计出电长度满足 UHF RFID 使用要求的分形偶极子标签天线。分形曲线的阶数越高，分形天线的尺寸缩减优 势越明显，但研究表明14，随之产生的副作用是天线的效率降低，随着分形曲线阶数的 增大，天线效率急剧减小，因而在天线设计中一般使用 2 阶分形曲线较多，如图 1.4 所 示，分别为 Hillbert、Peano 和 Koch、Sierpinski 二阶分形曲线，在天线设计中，通常使 用两条对称曲线形成偶极子。 图 1.4 二阶分形曲线 偶极子天线的辐射具有半全向性，在与偶极子长度方向垂直的方向上，标签的读取 距离较远；而沿其长度方向，标签读取距离较近。在需要全向读取的应用中，偶极子标 签显然难以满足要求。用两个标签以互相垂直的方式安装在被标识物上，虽然能实现物 体的全向识别，但成本随之增加，系统的数据处理负担也加重，并且由于两个标签的互 相干扰，实际效果不佳。全向标签的出现弥补了这个缺陷，全向标签的天线由两个交叉 垂直的偶极子天线构成，但只使用一个芯片15-17，如图 1.5 所示。由于偶极子天线是线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 5 极化天线，其极化方向沿天线的长度方向，互相垂直放置可减小两个天线之间的交叉影 响。Impinj 公司推出的 Monza 4 芯片是一款专为全向标签设计的芯片，其四个引脚形 成两个互相独立的端口，能够充分利用两个偶极子来接收和反馈信号5。 图 1.5 Impinj H42 全向标签 在 RFID 技术的实际应用中，有很多被标识物具有金属薄膜包装或者被标识物本身 是金属材料，而金属对偶极子天线的辐射特性具有极大的影响。为了克服金属的影响， 研究者们提出了贴片天线18-20和倒 F 天线21-23， 这两种天线的共同特点是具有一定的厚 度， 并具有金属地。 因而将它们安装在金属物体表面时， 仅相当于增大了天线的金属地， 通过合理的天线设计，能够极大限度的减小金属的影响。如图 1.6 所示，分别为使用倒 F 天线的 UHF 抗金属 RFID 标签。 图 1.6 倒 F 天线 在一些应用中， 既要求标签能够在有金属薄膜的环境下工作， 又不能有较大的厚度。 缝隙天线24-26厚度小、加工简单，并且能够直接制作在被标识的金属薄膜上，实现标签 嵌入并避开了金属的影响，而且成本较低。缝隙天线顾名思义是在导体面上开缝形成的 天线，也称为开槽天线。典型的缝隙天线可看作由导体平面上挖去了一个半波偶极子天 线形成，如图 1.7 所示为缝隙天线及其对应的偶极子天线。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 6 图 1.7 缝隙天线示意图 另外， 在一些应用中， 系统对标签的读写距离要求不高， 但是对成本控制要求极高。 UHF 近场标签5, 27, 28是一个极好的选择，如图 1.8 所示。相比 HF 标签，UHF 近场标签 使用的 UHF 芯片成本为 HF 芯片的一半左右。而且 UHF 近场标签通常为环状天线，其 尺寸能够缩减到 10mm 以内，对于采用蚀刻工艺制作的天线，成本进一步降低。UHF 近场标签相比 HF 标签具有更小的尺寸和更低的成本，并且在读写距离上与 HF 标签相 当，因此应用前景看好。 图 1.8 近场标签 UHF RFID 标签天线的形式多种多样，以上只是列出了一些常见的形式。随着技术 的发展和研究的深入，以及应用环境的不同，将不断引入或开发出新的天线形式。 1.4 论文论文主要研究内容主要研究内容 本文主要讨论无源超高频 RFID 标签设计，其中详细讨论了基于偶极子天线的标签 设计和优化方法，并进行了实验验证。本文还介绍了一种激光全息 RFID 双重防伪标签 的设计。全文结构如下： 第一章简要介绍了本文课题背景、目的和意义，并介绍了当前无源 UHF RFID 标签 设计的国内外研究概况。 第二章详细介绍了 RFID 标签设计中的重要指标参数及其计算方法。 在超高频 RFID 标签设计中，天线阻抗与芯片阻抗之间的匹配以及天线的增益是最重要的参数，影响标 签的读写距离。本章还介绍了常用的天线仿真方法以及天线制作方法，并介绍了 RFID 标签天线阻抗测试的常用方法。 第三章详细介绍了采用偶极子天线的标签设计和优化方法。 本章首先讨论了液体对 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 7 RFID 标签性能的影响。然后介绍了偶极子天线的基本设计方法及其阻抗匹配结构。本 章设计了一款小型化超高频 RFID 标签应用于液体药品标识，该标签采用弯折偶极子天 线和 T 型阻抗匹配结构。 结合天线长度和 T 行阻抗匹配结构参数， 本章对标签的性能做 了优化，并通过实验验证该标签在液体环境下有较好的适应性，本章的优化方法有效。 第四章介绍了一种激光全息与 RFID 技术相结合的双重防伪电子标签的设计方法。 激光全息膜含有金属层，本章首先讨论了金属对普通 RFID 标签的影响，继而提出了用 共面倒 F 天线作为 RFID 标签天线，并讨论了共面倒 F 天线的设计。最后通过实验验证 了激光全息膜与采用共面倒 F 天线的 RFID 标签复合时，RFID 标签基本不受全息膜金 属层的影响。 第五章总结全文， 并提出了下一步的研究计划， 本文的研究还存在很多的不足之处， 需要进一步改进。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 8 2 超高频超高频 RFID 标签设计标签设计 2.1 RFID 标签标签设计原理设计原理 2.1.1 阻抗匹配阻抗匹配 通常无源 RFID 标签仅由芯片和天线组成，芯片通过各向异性导电胶或者引线键合 方式与天线形成电连接。天线接收电磁波能量并转化为电能传输给芯片，为达到最大功 率传输，需要使天线阻抗为芯片阻抗的共轭。为简化标签生产工艺，降低标签成本，芯 片和天线直接相连，通过在天线上增加阻抗匹配结构来实现芯片与天线的阻抗匹配，而 不是采用常规的阻抗匹配网络。UHF 标签的等效电路简化如图 2.1 所示。 Za Zc Va 天线天线芯片芯片 图 2.1 UHF 标签等效电路 图 2.1 中，Za为天线阻抗，Zc为芯片阻抗，天线将电磁能转化为电能可视作电压源 Va，而天线阻抗可视作源阻抗，芯片阻抗为负载阻抗。目前市场上的芯片都具有复数阻 抗，并且具有较大的容性，其虚部数值是实部的 10 倍左右，如 Ipminj 公司的 Monza 4 芯片其串联阻抗为 11-j143。 在实际设计中，通常芯片制造厂商会给出芯片的阻抗，但通常以并联阻抗的方式给 出5, 29, 30，如图 2.2 所示，为了计算方便，我们需要将并联阻抗转化为串联阻抗。 Rcp Ccp Rcs Ccs 图 2.2 并联阻抗(左)与串联阻抗(右) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 9 图 2.2 中， Rcp是芯片并联电阻； Ccp是芯片并联电容； Rcs为等效串联电阻； Ccs为等效串联电容。 等效互换前后电路的阻抗相等，由此可得 () cpcp cscs cpcp RjX RjX RX 其中， 1 cs cs X C ， 1 cp cp X C ，由此可得 2 1 () cp cs cpcp R R R C (2.1) 2 1/ 1 (1/) cp cs cpcp C X R C (2.2) 对公式(2.1)和(2.2)做进一步简化，由等效电路的品质因数相等，即： cp cs cpcpcpcs cpcs R X QR CQ XR (2.3) 由此， 2 1 cp cs cp R R Q (2.4) cscscs XR Q (2.5) 由公式(2.4)和(2.5)我们可将芯片资料文档中的芯片并联阻抗换算成串联阻抗，便于在设 计过程中使用。 RFID 标签通过天线接收电磁波能量，并将之转化为电能传输给芯片，天线与芯片 之间等效为一个二端口网络，如图 2.3 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 10 Zc Za Va 图 2.3 RFID 标签等效网络 传输到芯片上的功率为31： 2 2 * * 11 Re 2 2 Re a c ccc ca c VZ PV I ZZZ (2.6) 其中，Za=Ra+jXa为天线阻抗，Zc=Rc+jXc为芯片阻抗，简化(2.6)式可得， 2 22 1 2()() c ca caca R PV RRXX (2.7) 当 Rc=Ra，Xc=-Xa，即阻抗共轭匹配时，芯片获得最大功率： 2 cmax 11 24 a a PV R (2.8) 于是， cmax2 4 ac c ca R R PP ZZ (2.9) 其中， 2 4 ac ca R R ZZ (2.10) 为功率传输系数，表示阻抗不匹配时，芯片获得的功率与最大传输功率之比。 max, 01 c PP (2.11) 与 对应，|s|2为功率反射系数，表示传输功率中由于阻抗不匹配而被反射百分比。 2 1s (2.12) 可得， 2 * 22 ,01 ca ca ZZ ss ZZ (2.13) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 11 由此可得回波损耗 * 2 10log20log ca ca ZZ RLs ZZ (2.14) 在 RFID 标签天线设计中，天线阻抗和芯片阻抗之间的阻抗匹配是一个重要的设计 指标，通常要求回波损耗 RL 小于等于-10dB。 2.1.2 方向性方向性和增益和增益 天线的辐射场可分为两个主要的区域32, 33，由天线向外，由近及远分别为近场和远 场。在近场区，辐射电磁波的功率流不是完全径向的；在远场区，场强分量互相垂直， 并与电磁波传播方向垂直，功率流径向朝外。 对于结构尺寸与工作波长接近的天线， 如 UHF RFID 标签天线常用的半波偶极子天 线，其近场与远场的边界为 2 2D R 其中，D 为天线的最大尺寸， 为工作波长，如图 2.4 所示。 R 图 2.4 远场与近场 在远场区包围天线的球面上，每一点获得的天线辐射功率都不同，通常以方向图来 描述天线在各个方向上的辐射强度， 如图 2.5 所示为 UHF RFID 标签常用偶极子天线的 三维和二维方向图。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 12 图 2.5 三维和二维方向图 天线的方向性 D 表示天线在各个方向上的辐射强度， 其定义为： 天线在给定方向上 的辐射功率密度 P(,)(Wm-2)与其在各个方向上的辐射功率密度平均值之比34。辐射功 率密度平均值等于各个方向的辐射功率密度之和除以 4，即 2 00 1 ( , )( , )sin 4 av PPd d 通常在不指明方向的情况下，所说天线的方向性 D 为其最大辐射方向，即 max ( , ) ( , )av P D P (2.15) 天线的方向性是在不计损耗的情况下得出的， 实际上由于天线馈送功率损耗以及天 线罩等的影响，天线在各个方向上的辐射强度小于理想值。实际辐射强度由天线增益 G 来表征32。增益与方向性之间关系如下： 01GkDk (2.16) 其中，k 为天线的效率因子，无量纲。 天线增益可通过比较待测天线(AUT)与标准天线(已知增益)在相同输入功率下辐射 的最大功率密度得出，即 max max () ()G() () PAUT G AUT P 标准天线 标准天线 (2.17) 2.1.3 读读写写距离距离 读写距离是衡量超高频 RFID 标签性能的最重要的指标，RFID 系统的性能，很大 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 13 程度上取决于标签的读写距离。在设计标签天线时，可以通过 RFID 通信链路来估算标 签的读写距离。 RFID 系统的通信链路可分为前向链路(读写器到标签)和反向链路(标签到读写器)。 1) 前向链路前向链路 在前向链路中，标签处于接收状态，标签天线为接收天线，如图 2.6 所示。读写器 发射功率为 Pr，读写器天线增益为 Gr，标签增益为 Gt，芯片接收到的功率为 Pt，标签 和读写器天线之间的距离为 R。 Pr GrGt Pt R 图 2.6 标签接收状态 读写器发射的功率在距离为 R 处，其平均功率密度为 2 4 r av P S R (2.18) 考虑天线增益，并不计从读写器输出端到读写器天线输入端线缆的插入损耗，则在给定 方向上，读写器辐射功率密度为 2 4 rr rt PG S R (2.19) 其中，读写器发射功率和读写器天线增益的乘积即读写器等效全向辐射功率(EIRP)，即 EIRP=PrGr。 若标签天线的有效接收面积为 Aet，则芯片的接收功率为 2 4 rr tet PG PA R (2.20) 根据天线定义32，天线有效接收面积与天线增益之间的关系如下 2 4 e AG (2.21) 由此可得，芯片接收到的功率为 2 max 2 (4) trrt PPG G R (2.22) 式(2.22) 称为自由空间 Friis 公式， 是芯片与天线阻抗匹配情况下， 芯片能够接收到 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 14 的最大功率。若考虑阻抗不匹配的情况，功率传输系数为 则 2 max 2 (4) ttrrt PPPG G R (2.23) 通常的 RFID 标签天线，如偶极子天线，极化方式为线极化；为了保证标签在任何 角度都能够被读到，读写器天线通常采用圆极化天线。由于标签天线与读写器天线的极 化方式不同而产生极化损失 p，圆极化天线与线极化天线之间的极化损失为 3dB。若考 虑极化损失，则芯片接收到的功率为 2 2 (4) trrt PPG G p R (2.24) 要使芯片启动工作，需要接收到的功率达到其最小激活功率(即芯片灵敏度)PtagTH， 即在前向链路中，标签工作的条件是 ttagTH PP 由此可得，前向链路标签的最大工作距离为 4 rrt tagTH PG G p R P (2.25) 需要说明的是，由式(2.25)计算得到的前向链路标签工作距离是理想情况下的最大 距离。实际中，由于读写器与读写器天线之间线缆的损耗、电磁波在空间传播受到环境 干扰等因素都会减小标签的工作距离。 2) 反向链路反向链路 超高频 RFID 技术继承自雷达技术，在反向链路中，读写器发射功率相当于雷达； 而标签反向散射从读写器入射的功率，相当于雷达追踪的目标。通常读写器的收发天线 为同一个天线，标签与读写器之间的关系如图 2.7 所示。 PrGr R 标标 签签 处理机处理机 图 2.7 反向链路 标签的雷达散射截面 (RCS)定义了在给定方向上的散射功率与入射功率密度之比， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 15 即 ts rt P S (2.26) 其中，Pts为标签散射的功率之和，Srt为读写器发射到标签上的功率密度，见式(2.19)。 由此可得标签的散射功率为 tsrt PS (2.27) 给定方向上，距离 R 处，标签散射功率密度为 2 2222 44(4) tsrrtrrr tr P GS GPG S RRR (2.28) 由此得到读写器接收到的功率，即雷达方程，为 222 2234 (4)(4 ) rrrr trer PGPG PA RR (2.29) 由文献35可知，标签的雷达反射截面(RCS)为 222 2 ta ac G R ZZ (2.30) 所以读写器接收到的功率为 4222 24 4 (4) rrta tr ac PG GR P R ZZ (2.31) 考虑天线之间的极化损失，则 422