RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計

　　近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別( RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡，然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的.

　　自1970 年第一張IC 卡問世起, IC 卡成為當(dāng)時微電子技術(shù)市場增長最快的產(chǎn)品之一,到1996 年全世界發(fā)售IC 卡就有7 億多張 . 但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點(diǎn),即接觸點(diǎn)對腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍. 近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)與IC 卡之間數(shù)據(jù)交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識別卡. 然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的. 這里我們將首先通過介紹RFID 應(yīng)用系?
統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線的設(shè)計是RFID 不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線及其設(shè)計原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來設(shè)計了一種全向的RFID 天線.

　　1 　RFID 技術(shù)原理

　　通常情況下, RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示. 其中,讀寫器一般作為計算機(jī)終端,用來實現(xiàn)對RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲,它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器,主要是由一塊集成電路( IC) 芯片及其外接天線組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 ,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上 .

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　　圖1 　射頻識別系統(tǒng)原理圖

　　RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID 卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后,由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源,同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發(fā)回給讀寫器. 可見,RFID 卡與讀寫器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線. 一方面,無源的RFID 卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.

　　目前RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,且有國際標(biāo)準(zhǔn):ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種. 這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外,還著重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范. RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了RFID天線的選擇,下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型的RFID 天線及其性能.

　　2 　RFID 天線類型

　　RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線. 其中,小于1 m 的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻段. 而1 m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線,它們工作在高頻及微波頻段. 這幾種類型天線的工作原理是不相同的.

　　2.1 　線圈天線

　　當(dāng)RFID 的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器,兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次級線圈. 由RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線的線圈電感L 、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′,其諧振頻率為:

　　, (式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容) . RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm) ,天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz. 目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線圈天線的短距離RFID 應(yīng)用系統(tǒng).

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　　圖2 　應(yīng)答器等效電路圖

　　某些應(yīng)用要求RFID 天線線圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動物識別的RFID. 線圈外形即面積小的話,RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實際使用. 通常在RFID 的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.

　　2.2 　微帶貼片天線

　　微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的 ,如圖3 所示. 根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計貼片導(dǎo)體為各種形狀. 通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長,假設(shè)輻射電場沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個方向沒有變化,僅沿約為半波長(λg/ 2) 的導(dǎo)體長度方向變化. 則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中. 為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻(xiàn)[5,6]設(shè)計了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線和5.9 GHz 的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻(xiàn)[7,8]開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼.

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　　圖3 　微帶天線