RFID原理及應(yīng)用許毅(第3章)陳建軍.ppt

第3章RFID中的天線技術(shù),3.1 天線概述 由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩能量，經(jīng)過傳輸線（在天線領(lǐng)域，傳輸線也稱為饋線）傳送到發(fā)射天線，然后由發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰浚蝾A(yù)定方向輻射。電磁波通過傳播媒質(zhì)到達(dá)接收天線后，接收天線將接收到的電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)行電磁波，然后通過饋線送到接收機(jī)，完成無線電波傳輸?shù)倪^程。天線在上述無線電波傳輸?shù)倪^程中，是無線通信系統(tǒng)的第一個(gè)和最后一個(gè)器件。,3.1.1天線的定義 凡是利用電磁波來傳遞信息和能量的，都依靠天線來進(jìn)行工作，天線是用來發(fā)射或接收無線電波的裝置和部件。 天線可以視為傳輸線的終端器件。天線作為一個(gè)單端口元件，要求與相連接的饋線阻抗匹配。天線的饋線上要盡可能傳輸行波，使從饋線入射到天線上的能量不被天線反射，盡可能多地輻射出去。天線與饋線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)的匹配或最佳貫通，是天線工程最關(guān)心的問題之一。,3.1.2天線的分類 1按照波段分類 長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。 2按照結(jié)構(gòu)分類 線狀天線、面狀天線、縫隙天線和微帶天線等。 3按照用途分類 廣播天線、通信天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線和RFID天線等,3.1.3天線的研究方法 電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化是產(chǎn)生輻射的原因。頻率低時(shí)，輻射較微弱；頻率越高，輻射就越強(qiáng)。天線的結(jié)構(gòu)應(yīng)該使電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布在同一空間，這樣可以使兩者能量直接轉(zhuǎn)化，電磁能量可以向遠(yuǎn)處輻射。 1疊加原理 天線的輻射符合疊加原理。 （1）線天線。 線天線首先求出元電流（或稱為電基本振子）的輻射場(chǎng)，然后找出線天線上的電流分布，線天線的輻射是元電流輻射的線積分。 （2）面天線。 面天線將輻射問題分為內(nèi)問題和外問題，由已知激勵(lì)源求天線封閉面上的場(chǎng)為內(nèi)問題， 由封閉面上的場(chǎng)求外部空間輻射場(chǎng)為外問題。在求天線的外問題時(shí)，輻射場(chǎng)也要用到疊加原理。,2研究天線的3個(gè)方法 研究天線輻射的常用方法有如下3種。 解析解 數(shù)值解 仿真軟件 3.1.4 RFID天線的應(yīng)用及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 1. RFID天線的應(yīng)用現(xiàn)狀 影響RFID天線應(yīng)用性能的參數(shù)主要有天線類型、尺寸結(jié)構(gòu)、材料特性、成本價(jià)格、工作頻率、頻帶寬度、極化方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗問題和環(huán)境影響等，RFID天線的應(yīng)用需要對(duì)上述參數(shù)加以權(quán)衡。,1）RFID天線應(yīng)用的一般要求 電子標(biāo)簽天線 閱讀器天線 2）RFID天線的極化 3）RFID天線的方向性 4）RFID天線的阻抗問題 5）RFID的環(huán)境影響 2. RFID天線的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 RFID電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì) RFID讀寫器天線的設(shè)計(jì) RFID天線的設(shè)計(jì)步驟,3.2低頻和高頻RFID天線技術(shù),在低頻和高頻頻段，讀寫器與電子標(biāo)簽基本都采用線圈天線，線圈之間存在互感，使一個(gè)線圈的能量可以耦合到另一個(gè)線圈，因此讀寫器天線與電子標(biāo)簽天線之間采用電感耦合的方式工作。讀寫器天線與電子標(biāo)簽天線是近場(chǎng)耦合，電子標(biāo)簽處于讀寫器的近區(qū)，當(dāng)超出上述范圍時(shí)，近場(chǎng)耦合便失去作用，開始過渡到遠(yuǎn)距離的電磁場(chǎng)。當(dāng)電子標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離讀寫器，處于讀寫器的遠(yuǎn)區(qū)時(shí)，電磁場(chǎng)將擺脫天線，并作為電磁波進(jìn)入空間。本節(jié)所討論的低頻和高頻RFID天線，是基于近場(chǎng)耦合的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。,低頻和高頻RFID天線有如下特點(diǎn)。 （1）天線都采用線圈的形式。 （2）線圈的形式多樣，可以是圓形環(huán)，也可以是矩形環(huán)。 （3）天線的尺寸比芯片的尺寸大很多，電子標(biāo)簽的尺寸主要是由天線決定的。 （4）有些天線的基板是柔軟的，適合粘帖在各種物體的表面。 （5）由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽，可以比拇指還小。 （6）由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽，可以在條帶上批量生產(chǎn)。,3.3微波RFID天線技術(shù),微波RFID技術(shù)是目前RFID技術(shù)最為活躍和發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域，微波RFID天線與低頻、高頻RFID天線相比有本質(zhì)上的不同。微波RFID天線采用電磁輻射的方式工作，讀寫器天線與電子標(biāo)簽天線之間的距離較遠(yuǎn)，一般超過1m，典型值為110m；微波RFID的電子標(biāo)簽較小，使天線的小型化成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；微波RFID天線形式多樣，可以采用對(duì)稱振子天線、微帶天線、陣列天線和寬帶天線等；微波RFID天線要求低造價(jià)，因此出現(xiàn)了許多天線制作的新技術(shù)。,3.3.1 微波RFID天線的結(jié)構(gòu)、圖片和應(yīng)用方式 1微波RFID天線的結(jié)構(gòu)和圖片,2微波RFID天線的應(yīng)用方式 微波RFID天線的應(yīng)用方式很多，下面以倉庫流水線上紙箱跟蹤為例，給出微波RFID天線在跟蹤紙箱過程中的使用方法。 （1）紙箱放在流水線上，通過傳動(dòng)皮帶送入倉庫。 （2）紙箱上貼有標(biāo)簽，標(biāo)簽有兩種形式，一種是電子標(biāo)簽，一種是條碼標(biāo)簽。為防止電子標(biāo)簽損毀，紙箱上還貼有條碼標(biāo)簽，以作備用。 （3）在倉庫門口，放置3個(gè)讀寫器天線，讀寫器天線用來識(shí)別紙箱上的電子標(biāo)簽，從而完成物品識(shí)別與跟蹤的任務(wù)。,3.3.2 微波RFID天線的設(shè)計(jì) 微波RFID天線的設(shè)計(jì)，需要考慮天線采用的材料、天線的尺寸、天線的作用距離，并需要考慮頻帶寬度、方向性和增益等電參數(shù)。微波RFID天線主要采用偶極子天線、微帶天線、非頻變天線和陣列天線等。 1彎曲偶極子天線 偶極子天線即振子天線，是微波RFID常用的天線。為了縮短天線的尺寸，在微波RFID中偶極子天線常采用彎曲結(jié)構(gòu)。彎曲偶極子天線縱向延伸方向至少折返一次，從而具有至少兩個(gè)導(dǎo)體段，每個(gè)導(dǎo)體段分別具有一個(gè)延伸軸，這些導(dǎo)體段借助于一個(gè)連接段相互平行且有間隔地排列，并且第一導(dǎo)體段向空間延伸，折返的第二導(dǎo)體段與第一導(dǎo)體段垂直，第一和第二導(dǎo)體段擴(kuò)展成一個(gè)導(dǎo)體平面。,彎曲天線有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，如載荷棒寬度、距離、間距、彎曲步幅寬度和彎曲步幅高度等。通過調(diào)整上述參數(shù)，可以改變天線的增益和阻抗，并改變電子標(biāo)簽的諧振、最高射程和帶寬。,2微帶天線 微波RFID常采用微帶天線。微帶天線是平面型天線，具有小型化、易集成、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，可以做成共形天線，易于形成圓極化，制作成本低，易于大量生產(chǎn)。 微帶天線按結(jié)構(gòu)特征分類，可以分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線兩大類；微帶天線按形狀分類，可以分為矩形、圓形和環(huán)形微帶天線等；微帶天線按工作原理分類，可以分成諧振型（駐波型）和非揩振型（行波型）微帶天線。,（1）微帶駐波貼片天線。 微帶貼片天線是由介質(zhì)基片、在基片一面上任意平面幾何形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。貼片形狀可以是多種多樣的。,（2）微帶行波貼片天線。 微帶行波天線是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長(zhǎng)TEM波傳輸線和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負(fù)載，當(dāng)天線上維持行波時(shí)，可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。,（3）微帶縫隙天線。 微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成，微帶縫隙天線是把接地板刻出窗口即縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印刷出微帶線對(duì)縫隙饋電，縫隙可以是矩形（寬的或窄的）、圓形或環(huán)形。,（4）微帶天線的工作原理。 微帶天線進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)天線的性能參數(shù)（如方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等）預(yù)先估算，將大大提高天線研制的質(zhì)量和效率，降低研制的成本。這種理論工作的開展，帶來了多種分析微帶天線的方法，如傳輸線、腔模理論、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計(jì)算微帶天線的方向圖，其結(jié)果基本是一致的，特別是主波束。,3陣列天線 陣列天線是一類由不少于兩個(gè)天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列，并通過適當(dāng)激勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性的天線。就發(fā)射天線來說，簡(jiǎn)單的輻射源比如點(diǎn)源、對(duì)稱振子源是常見的，陣列天線是將它們按照直線或者更復(fù)雜的形式，排成某種陣列樣子，構(gòu)成陣列形式的輻射源，并通過調(diào)整陣列天線饋電電流、間距、電長(zhǎng)度等不同參數(shù)，來獲取最好的輻射方向性。 （1）微帶陣列天線。 微帶陣列天線一般應(yīng)用在幾百兆赫茲到幾十吉赫茲的頻率范圍，適合RFID系統(tǒng)使用。微帶陣列天線的優(yōu)點(diǎn)是饋電網(wǎng)絡(luò)可以與輻射元一起制作，并且可以將發(fā)送和接收電路集成在一起，是使用較為廣泛的陣列天線。,（2）八木天線。 八木天線是一種寄生天線陣，只有一個(gè)陣元是直接饋電的，其他陣元都是非直接激勵(lì)，是采用近場(chǎng)耦合從有源陣元獲得激勵(lì)。八木天線有很好的方向性，較偶極子天線有較高的增益，實(shí)現(xiàn)了陣列天線提高增益的目的。,4非頻變天線 一般來說，若天線的相對(duì)帶寬達(dá)到百分之幾十，這類天線稱為寬頻帶天線；若天線的頻帶寬度能夠達(dá)到10:1，這類天線稱為非頻變天線。非頻變天線能在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)，保持天線的阻抗特性和方向特性基本不變或稍有變化。,非頻變天線有多種形式，主要包括 平面等角螺旋天線 圓錐等角螺旋天線 對(duì)數(shù)周期天線 3.4 RFID天線的制造工藝 RFID天線制作工藝主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法。低頻RFID電子標(biāo)簽天線基本是采用繞線方式制作而成；高頻RFID電子標(biāo)簽天線利用以上3種方式均可實(shí)現(xiàn)，但以蝕刻天線為主，其材料一般為鋁或銅；UHF RFID電子標(biāo)簽天線則以印刷天線為主。,3.4.1 線圈繞制法 利用線圈繞制法制作RFID天線時(shí)，要在一個(gè)繞制工具上繞制標(biāo)簽線圈，并使用烤漆對(duì)其進(jìn)行固定，此時(shí)天線線圈的匝數(shù)一般較多。將芯片焊接到天線上之后，需要對(duì)天線和芯片進(jìn)行粘合，并加以固定。,3.4.2蝕刻法 蝕刻法是在一個(gè)塑料薄膜上層壓一個(gè)平面銅箔片，然后在銅箔片上涂覆光敏膠，干燥后通過一個(gè)正片（具有所需形狀的圖案）對(duì)其進(jìn)行光照，然后放入化學(xué)顯影液中，此時(shí)感光膠的光照部分被洗掉，露出銅，最后放入蝕刻池，所有未被感光膠覆蓋部分的銅被蝕刻掉，從而得到所需形狀的天線。,3.4.3 印刷法 印刷天線是直接用導(dǎo)電油墨在絕緣基板（薄膜）上印刷導(dǎo)電線路，形成天線和電路。目前印刷天線的主要印刷方法已從只用絲網(wǎng)印刷，擴(kuò)展到膠印印刷、柔性版印刷和凹印印刷等，較為成熟的制作工藝為網(wǎng)印技術(shù)與凹印技術(shù)。,1印刷天線的特點(diǎn) 印刷天線與蝕刻天線、繞制天線相比，具有以下獨(dú)特之處。 （1）可更加精確地調(diào)整電性能參數(shù)。 （2）可滿足各種個(gè)性化要求。 （3）可使用各種不同基體材料。 （4）可使用各種不同廠家提供的晶片模塊,2導(dǎo)電油墨與RFID印刷天線技術(shù) 導(dǎo)電油墨印刷天線技術(shù)的特點(diǎn)如下。 （1）成本低。 （2）導(dǎo)電性好。 （3）操作容易。 （4）無污染。 （5）使用時(shí)間短。,3RFID印刷天線的應(yīng)用價(jià)值 （1）促進(jìn)各行業(yè)RFID應(yīng)用。 對(duì)于一般商品，RFID