超高频RFID天线设计技术研究

摘要：在RFID系统中，一个很重要的指标就是读写距离，影响读写距离的重要参数则是读写器天线和标签天线的设计。天线设计是RFID无线射频识别系统设计的关键部分，设计出合适的天线是确保系统正常通信的前提。从近场耦合天线的理论分析着手，通过实际RFID项目中的总结，结合实际RFID系统天线设计所需主要考虑的物理参量，并根据这些参量确定设计步骤。
关键词：RFID技术；阅读器天线；RFID电子标签天线；天线设计

0 引言
    RFID无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)的应用由来已久，最早可追溯到第二次世界大战时，英国空军飞机使用的敌我飞机识别系统。最近RFID无线射频识别技术被广泛应用于物品管理、车辆定位以及井下人员定位等。该技术是一种非接触的自动识别技术，利用无线射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别目的。

1 RFID无线射频技术概述
1．1 RFID无线识别系统的基本组成
    RFID无线识别系统主要由RFID电子标签、RFID阅读器、天线以及上位机管理系统组成。RFID电子标签和RFID读写器之间是通过无线方式传输信息的，因此它们之间都有无线收发模块及天线(感应线圈)。效果图如图1所示。

    (1)RFID电子标签(Tag)：RFID电子标签是射频识别系统的数据载体。由耦合元件及芯片组成，每个RFID电子标签具有惟一的EPC(Electr ctronic ProductCode)电子编码，附着在物体上标识目标对象。与传统的条形码相比，EPC编码不仅可以反映某一类产品，还可以具体到某一件产品。
    (2)RFID阅读器(Reader)：读写器足可以读取或者写入电子标签信息的设备，其基本功能就是与标签进行数据的传输，可设计为手持式阅读器或固定式阅读器。
    (3)天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。
1．2 RFID系统的工作原理
    RFID电子标签进入RFID读写器发射的磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)，解渎器渎取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。射频识别过程示意图如图2所示。

2 RFID标签天线性能指标
    从RFID系统的识别过程不难看出，RFID读写器在感知RFID电子标签的过程中，天线在RFID电子标签和RFID读取器间传递射频信号起到了重要的桥梁作用，RFID读写器天线、RFID电子标签天线的性能对提高整个识别系统的性能有着重要的意义。由于RFID电子标签附着在被标识的物体上，RFID电子标签天线会受到所标识物体的形状以及物理特性的影响。影响因素包括所标识物体的材料、所标识物品的工作环境等。另外，在RFID无线射频的装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与RFID电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。这些因素给RFID电子标签天线的设计提出了更高的要求，同时也带来了巨大的挑战。
    天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界而器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。当前的RFID无线射频系统主要集中在低频、高频、超高频、微波频段，不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同：
    (1)方向特性
    天线的辐射是具有方向性的。辐射场振幅与方向的关系曲线称为方向图，实际上就是远区场任意方向上某点的场强同方向的关系曲线。方向图一股指归一化的方向图，即远区场任意方向上某点的场强与同一距离的最大场之比同方向的关系曲线。定义方向图函数为：
    

    式中EM是|E(α，β)|的最大值。
    (2)方向性系数
    方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度的一个参数。任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，非定向天线的总辐射功率对该定向天线的总辐射功率之比。按照此定义，由于定向天线在各个方向上的辐射强度不等，故天线的方向性系数也随着观察点的位置而不同，在辐射电场最大的方向，方向性系数也最大。一般情况下，定向天线的方向性系数就是最大辐射方向的方向性系数，即在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度So之比，记为D，即：
    

    (3)天线效率
    天线效率是用以度量天线转换能量的有效性的指标。天线效率均小于1，表示天线输入功率一部分转化为辐射功率，一部分为损耗功率。天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比，记为ηA，即：
    

    式中：Pi为辐射功率；Pj为损耗功率。
    (4)天线增益
    天线系数仅反映了天线辐射能最的集中程度，天线增益不仅反映了天线的辐射能力，还考虑了天线的损耗因数。在输入功率相同的条件下，定向天线在空间某方向(θ，φ)的辐射功率密度S(θ，φ)与无损耗的点源天线在该方向辐射功率密度So之比，称为天线的增益，记为G(θ，φ)。即：
    

    增益系数是综合衡量大线能量转换和方向特性的参数，它是方向性系数与天线效率的乘积，记为G，即：
    G=D·ηA
    对于频段为超高频、微波的RFID无线射频识别系统来说，由于RFID电子标签天线面积较小，因此天线的增益也是有限的。增益的大小丰要取决于天线辐射模式的类型。
    (5)阻抗特性
    天线的输入阻抗可以用天线馈电点处的电压与电流之比来表示，通常为频率的函数。RFID天线的阻抗应设计成50 Ω或70 Ω，以便和常规的馈线实现阻抗匹配。RFID天线相当于读写器与电子标签输出端的终端负载，输入阻抗Zin定义为天线输入电压与输入电流Io之比。即：
    

    式中：Rin，Xin分别为输入阻抗的实部和虚部。
    RFID天线的辐射功率P∑相当于在一个等效阻抗上所产牛的损耗。这个等效阻抗称为辐射阻抗Z∑，即：
    

    式中：I为参考电流；R∑，X∑分别为辐射阻抗的实部和虚部。

3 结论
    随着RFID无线射频技术应用需求的不断明确和应用领域的不断拓展，作为RFID系统关键部件的天线的设计和研究变得十分紧要和迫切。天线技术是RFID系统的关键技术之一，对RFID技术的成熟和广泛应用具有理论意义和实用价值。