基于RFID技术的天线设计及应用研究

摘要：RFID(Radio Frequency Identification，射频识别技术)是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。本文主要分析总结了RFID技术的原理，RFID天线设计主要考虑物理参量，最后指出了RRFID标签及读写器天线的设计与应用。

关键词：RFID；原理；类型；设计

Abstract: The RFID (Radio Frequency Identification, radio frequency identification) is an automatic identification technology, radio frequency through non-contact way of two-way data communications, to be on target recognition and access to relevant data. This paper analyzes the principle of RFID technology, the RFID antenna is considered mainly in the design of physical parameters, finally points out the design and application of RRFID tag and reader antenna.

Key words: RFID; type; design principle;

中图分类号：F626.5

1. RFID 技术原理

RFID （radio frequency identification）是利用无线电波进行通信的一种自动识别技术。基本原理是通过读头和黏附在物体上的标签之间的电磁耦合或电感耦合进行数据通信，以达到对标签物品的自动识别。通常情况下， RFID 的应用系统主要由读写器和RFID 卡两部分组成的。 其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID 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RFID 卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路( IC) 芯片及其外接天线组成，其中RFID 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。

RFID 应用系统的基本工作原理是RFID 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，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得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，RFID 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RFID 卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了RFID 卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式。

2.实际RFID天线设计主要考虑物理参量

2.1 磁场强度。运动的电荷或者说电流会产生磁场，磁场的大小用磁场强度来表示。RFID天线的作用距离，与天线线圈电流所产生的磁场强度紧密相关。

圆形线圈的磁场强度(在近场耦合有效的前提下，近场耦合有效与否的判断在1．3节)可用式(1)进行计算：

式中：H是磁场强度；I是电流强度；N为匝数；R为天线半径；x为作用距离。

对于边长ab的矩形导体回路，在距离为x处的磁场强度曲线可用下式计算。

结果证实：在与天线线圈距离很小(xR)处呈现出较高的磁场强度。在电感耦合式射频识别系统的天线设计中，应当考虑这种效应，如图1所示。

2.2 最佳天线直径。在与发射天线的距离x为常数并简单地假定发射天线线圈中电流I不变的情况下，如果改变发送天线的半径R时，就可以根据距离x与天线半径R之间的关系得到最大的磁场强度H。这意味着：对于每种射频识别系统的阅读器作用距离都对应有一个最佳的天线半径R。如果选择的天线半径过大，那么在与发射天线的距离x=0处，磁场强度是很小的；相反，如果天线半径的选择太小，那么其磁场强度则以z的三次方的比例衰减，如图2所示。

不同的阅读器作用距离，有着不同的天线最佳半径，它对应着磁场强度曲线最大值。

从数学上来说，也即对R求导，如式(3)所示：

从公式的零点中计算是拐点以及函数的最大值。

发射天线的最佳半径对应于最大期望阅读器的2孺值。第二个零点的负号表示导电路的磁场强度在x轴的两个方向传播。这里需要指出的是，使用此式的前提条件，是近场耦合有效。下面简介近场耦合的概念。

2.3 近场耦合。真正使用前面所提到的公式时，有效的边界条件为：d《R以及x

2.4 调谐。RFID系统读写器可以等效为一个R-L-C串联电路，其中R为绕线线圈的电阻，L为天线自身的电感。一般调谐过程当中，由于天线线圈本身的电容对于谐振的影响很小，可以忽略不计，故为了使阅读器在工作频率下天线线圈获得最大的电流，需要外加一个电容C，完成对天线的调谐，达到这一目的。而调谐电容，天线的电感以及工作频率之间的关系，可以通过以下汤姆逊公式求得，即：

2.5 电感的估算。电感量值的物理意义是：在电流包围的总面积中产生的磁通量与导体回路包围的电流强度之比。实际RFID天线调试的时候，读写器天线电感量值可以通过阻抗分析仪测出，在条件有限的情况下，也常采用估算公式进行估算。假定导体的直径d与导体回路直径D之比很小(d／D

式中：N为绕线天线的匝数；R为天线线圈的半径；d为导体的内径；μ0为自由空间磁导率。

线圈匝数还有以下的近似公式进行估算，在实际应用中，两个公式可以进行对照使用：

式中：L为线圈电感，单位为nH；A为天线线圈包围面积，单位为cm2；D为导线直径，单位为cm。

2.6 天线的品质因数。天线的性能还与它的品质因数有关。Q既影响能量的传输效率，也影响频率的选择性。过高的Q值虽然能使天线的输出能量增大，但是同时，读写器的通带特性也会受到影响。所以在实际调节Q值的时候，要进行折中的考虑。调节Q值，是通过在R-L-C等效电路上面串接一个电阻R1实现的，具体的公式如下：Q=ωL／(R+R1) (8)

3．RFID标签及读写器天线的设计与应用

RFID 系统天线一般分为电子标签天线设计和读写器天线两大类。不同工作频段的RFID系统天线设计各有特点。对于LF和HF频段，系统采用电感耦合方式工作，电子标签所需的工作能量通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，一般为无源系统，工作距离较小，不大于1米。在读写器的近场实际上不涉及电磁波传播的问题，天线设计比较简单。而对于UHF和微波频段，电子标签工作时一般位于读写器天线的远场，工作距离较远。读写器的天线为电子标签提供工作能量或唤醒有源电子标签，UHF频段多为无源被动工作系统，微波频段（2.45GHz和5.8GHz）则以半主动工作方式为主。天线设计对系统性能影响较大。对于UHF和微波频段电子标签天线设计，主要问题有：

3.1天线的输入匹配。UHF和微波频段电子标签天线一般采用微带天线形式。在传统的微带天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸和结构，或者使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配，天线匹配越好，天线辐射性能越好。但由于受到成本的影响，电子标签天线一般只能直接与标签芯片相连。芯片阻抗很多时候呈现强感弱阻的特性，而且很难测量芯片工作状态下的准确阻抗特性数据。在设计电子标签天线时，使天线输入阻抗与芯片阻抗相匹配有一定的难度。在保持天线性能的同时又要使天线与芯片相匹配。这是电子标签天线设计的一个主要难点。

3.2天线方向图。电子标签，理论上希望它在各个方向都可以接收到读写器的能量，所以一般要求标签天线具有全向或半球覆盖的方向性，而且要求天线为圆极化。

3.3天线尺寸对其性能的影响。由于电子标签天线尺寸极小，其输入阻抗，方向图等特性容易受到加工精度，介质板纯度的影响。在严格控制尺寸的同时又要求天线具有相当的增益，增益越大，电子标签的工作距离越大。现时实际应用中的电子标签天线基本采用贴片天线设计，主要形式有微带天线，折线天线等。最近几年，电子标签天线设计一直是RFID系统中的热点。标签天线研究的重点有如何实现宽频特性，阻抗匹配，还有文章涉及天线底板对标签性能的影响。

读写器天线一般要求使用定向天线，可以分为合装和分装两类。合装是指天线与芯片集成在一起，分装则是天线与芯片通过同轴线相连，一般而言，读写器天线设计要求比标签天线要低。最近一段时间，开始有研究在读写器天线上应用智能天线技术控制天线主波束的指向，增大读写器所能涵盖的区域。

4.结语

总之，RFID 的实际应用关键在于天线设计上，特别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说，要求RFID 能够实现全方向的无线数据通讯，且还要价格低廉、体积小。 因此，我们所设计的上述这种全向型偶极子天线的结构简单、易于批量加工制造，是可以满足实际需要的。本文对于各种RFID的天线设计具有普遍的指导意义。