RFID論文.docx

目錄【摘要】21. RFID天線概述22. RFID技術(shù)原理33. RFID天線類型43.1線圈天線43.2 微帶貼片天線53.3 偶極子天線53.4 低頻和高頻RFID天線技術(shù)53.5 微波RFID天線技術(shù)64. 結(jié)束語(yǔ)6參考文獻(xiàn)：7【摘要】首先簡(jiǎn)要介紹RFID技術(shù)的基本工作原理，說(shuō)明射頻天線是RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵，然后介紹幾種基本的RFID射頻天線及其工作原理，并針對(duì)普通使用的偶極子天線在RFID系統(tǒng)中方向性的不足提出改進(jìn)，最后，給出一個(gè)具有全向收發(fā)功能的RFID天線設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)仿真工具模擬仿真，并進(jìn)行實(shí)際樣品測(cè)試，獲得較為滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。關(guān)鍵字：RFID；射頻天線；電子標(biāo)簽1. RFID天線概述在無(wú)線通信領(lǐng)域，天線是不可缺少的組成部分。RFID是利用無(wú)線電波來(lái)傳遞信息的，當(dāng)信息通過(guò)空間傳播時(shí)，無(wú)線電波的產(chǎn)生和接收要通過(guò)天線來(lái)完成。此外，在用無(wú)線電波傳送能量方面，非信號(hào)的能量傳送也需要通過(guò)天線來(lái)完成。天線對(duì)RFID系統(tǒng)十分重要，是決定RFID系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件。RFID天線可以分為低頻、高頻及微波天線；在每一頻段，天線又分為讀寫(xiě)器天線和電子標(biāo)簽天線。在低頻和高頻頻段，讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽基本都采用線圈天線；微波RFID天線形式多樣，可以采用對(duì)稱的振子天線、微帶天線、陣列天線、寬頻帶天線等。RFID天線制作工藝主要有線圈繞執(zhí)法、蝕刻法、印刷法等，這些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。在無(wú)線通信中，由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻振蕩能量，經(jīng)過(guò)饋線（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)射天線變成為電磁波能量，向預(yù)定方向輻射。電磁波通過(guò)傳播介質(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(guò)饋線傳送到接收機(jī)，完成無(wú)線電波傳輸?shù)倪^(guò)程。天線在上述無(wú)線電波傳輸?shù)倪^(guò)程中是無(wú)線通信系統(tǒng)的第一個(gè)和最后一個(gè)器件，如圖1-1所示。發(fā)射機(jī)接收機(jī)傳播媒介發(fā)射天線接收天線電磁波圖1-1無(wú)線通信中的天線2. RFID技術(shù)原理通常情況下，RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器和RFID卡兩部分組成。其中，讀寫(xiě)器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)，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(wú)源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路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(chǔ)器等電路，有的甚至將天線一起集成到同一芯片上。RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過(guò)射頻前端電路檢的數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信號(hào)處理；所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)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(guò)天線發(fā)回給讀寫(xiě)器?？梢?jiàn)，RFID卡與讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中其關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無(wú)源的RFID卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過(guò)天線在讀寫(xiě)器無(wú)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了RFID卡與讀寫(xiě)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(guó)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(duì)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。3. 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1m的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線圈型天線，他們主要工作在中低頻段。而1m以上的遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用未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同的。3.1線圈天線當(dāng)RFID的線圈天線進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中，RFID天線與讀寫(xiě)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(jí)線圈和次級(jí)線圈。由RFID的線圈天線電感L、寄生電容和并聯(lián)電容，其諧振頻率為：，（式中C為和的并聯(lián)等效電容）。RFID應(yīng)用系統(tǒng)就是通過(guò)這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID-1型非接觸式IC卡的外觀為以小型的塑料卡，天線線圈諧振工作頻率通常為13.56MHz。目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm*0.4mm線圈天線的短距離RFID應(yīng)用系統(tǒng)。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(dòng)物是別的RFID。線圈外形即面積小的話，RFID與讀寫(xiě)器之間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實(shí)際使用。通常的RFID的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問(wèn)題。3.2 微帶貼片天線在RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)中，小型化問(wèn)題始終倍受關(guān)注。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，小型化后的天線帶寬和增益特性及交叉極化特性也是重要的研究方向。目前的RFID標(biāo)簽仍然使用片外獨(dú)立天線，其優(yōu)點(diǎn)是天線Q值較高、易于制造、成本適中，但是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標(biāo)簽形式植入動(dòng)物體內(nèi)等任務(wù)。若能將天線集成在標(biāo)簽芯片上，無(wú)需任何外部器件即可進(jìn)行工作，可使整個(gè)標(biāo)簽體積減小，而且簡(jiǎn)化了標(biāo)簽制作流程，降低了成本，這就引發(fā)了片上天線技術(shù)的研究。另外，目前標(biāo)簽天線研究的重點(diǎn)還包括，天線匹配技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、覆蓋多種頻段的寬帶天線設(shè)計(jì)、多標(biāo)簽天線優(yōu)化分布技術(shù)、抗金屬設(shè)計(jì)技術(shù)、一致性與抗干擾技術(shù)等。微帶貼片天線是由貼有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的。根據(jù)天線輻射特性的需要?？梢栽O(shè)計(jì)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(zhǎng)，假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩方面沒(méi)有變化，僅沿約為半波長(zhǎng)的導(dǎo)體長(zhǎng)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(kāi)路邊沿的邊緣場(chǎng)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(wèn)題，人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線。3.3 偶極子天線在遠(yuǎn)距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線。偶極子天線及其演化，其中偶極子天線有兩段同樣粗細(xì)的等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一直線構(gòu)成，信號(hào)從中間兩個(gè)端點(diǎn)饋入，在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布，這些電流分布就在天線周?chē)臻g激發(fā)起電磁波，從而達(dá)到傳輸信號(hào)的目的。3.4 低頻和高頻RFID天線技術(shù)在低頻和高頻頻段，讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽基本上都采用線圈天線，線圈之間存在互感，使一個(gè)線圈的能量耦合到另一個(gè)線圈，因此，讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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。當(dāng)電子標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離讀寫(xiě)器，出于讀寫(xiě)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。3.5 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天線相比工作原理不同。微波RFID天線采用電磁輻射的方式工作，讀寫(xiě)器天線與電子標(biāo)簽天線之間的距離較遠(yuǎn)，一般超過(guò)1m，典型值為1m10m；微波RFID的電子標(biāo)簽較小，使得天線的小型化成為設(shè)計(jì)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、陣列天線寬帶天線等；微波RFID天線要求造價(jià)低，因此出現(xiàn)了許多天線制造新技術(shù)。4. 結(jié)束語(yǔ)總之，RFID的實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計(jì)上，特別是對(duì)于具有非常大市場(chǎng)容量的商品標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，要求RFID能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，且還要價(jià)格低廉、體積小。因此，我們所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線應(yīng)該滿足廉價(jià)，體積小，而且效能高的要求。作為當(dāng)下無(wú)知的本科生，感覺(jué)硬件開(kāi)發(fā)深似海，然而它才是最實(shí)用，最貼切實(shí)際的應(yīng)用技術(shù)，只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的不斷學(xué)習(xí)和積累，才能從中探究到其中的奧妙。RFID技術(shù)是當(dāng)下應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，