RFID基礎(chǔ)知識二

1、RFID基礎(chǔ)知識二頻段分布RFID工作頻率的選擇，要顧及其他無線電服務(wù)，不能對其他服務(wù)造成干擾和影響，因而RFID系統(tǒng)通常只能使用特別為工業(yè)、科學和醫(yī)療應(yīng)用而保留的ISM頻率。ISM頻段的主要頻率范圍如下。1頻率6.78MHz這個頻率范圍為6.7656.795MHz，屬于短波頻率，這個頻率范圍在國際上已由國際電信聯(lián)盟指派作為ISM頻段使用，并將越來越多地被RFID系統(tǒng)使用。這個頻段起初是為短波通信設(shè)置的，根據(jù)這個頻段電磁波的傳播特性，短波通信白天只能達到很小的作用距離，最多幾百公里，夜間可以橫貫大陸傳播。這個頻率范圍的使用者是不同類別的無線電服務(wù)，如無線電廣播服務(wù)、無線電氣象服務(wù)和無線電航空服

2、務(wù)等。2頻率13.56MHz這個頻率范圍為13.55313.567MHz，處于短波頻段，也是ISM頻段。在這個頻率范圍內(nèi)，除了電感耦合RFID系統(tǒng)外，還有其他的ISM應(yīng)用，如遙控系統(tǒng)、遠距離控制模型系統(tǒng)、演示無線電系統(tǒng)和傳呼機等。這個頻段起初也是為短波通信設(shè)置的，根據(jù)這個頻段電磁波的傳播特性，無線信號允許晝夜橫貫大陸聯(lián)系。這個頻率范圍的使用者是不同類別的無線電服務(wù)機構(gòu)，例如新聞機構(gòu)和電信機構(gòu)等。3頻率27.125MHz這個頻率范圍為26.95727.283MHz，除了電感耦合RFID系統(tǒng)外，這個頻率范圍的ISM應(yīng)用還有醫(yī)療用電熱治療儀、工業(yè)用高頻焊接裝置和傳呼機等。在安裝工業(yè)用27MHz的RF

3、ID系統(tǒng)時，要特別注意附近可能存在的任何高頻焊接裝置，高頻焊接裝置產(chǎn)生很高的場強，將嚴重干擾工作在同一頻率的RFID系統(tǒng)。另外，在規(guī)劃醫(yī)院27MHz的RFID系統(tǒng)時，應(yīng)特別注意可能存在的電熱治療儀干擾。4頻率40.680MHz這個頻率范圍為40.66040.700MHz，處于VHF頻帶的低端，在這個頻率范圍內(nèi)，ISM的主要應(yīng)用是遙測和遙控。在這個頻率范圍內(nèi)，電感耦合射頻識別的作用距離較小，而這個頻率7.5m的波長也不適合構(gòu)建較小的和價格便宜的反向散射電子標簽，因此該頻段目前沒有射頻識別系統(tǒng)工作，屬于對射頻識別系統(tǒng)不太適用的頻帶。5頻率433.920MHz這個頻率范圍為430.050434.79

4、0MHz，在世界范圍內(nèi)分配給業(yè)余無線電服務(wù)使用，該頻段大致位于業(yè)余無線電頻帶的中間，目前已經(jīng)被各種ISM應(yīng)用占用。這個頻率范圍屬于UHF頻段，電磁波遇到建筑物或其他障礙物時，將出現(xiàn)明顯的衰減和反射。該頻段可用于反向散射RFID系統(tǒng)，除此之外，還可用于小型電話機、遙測發(fā)射器、無線耳機、近距離小功率無線對講機、汽車無線中央閉鎖裝置等。但是，在這個頻帶中，由于應(yīng)用眾多，ISM的相互干擾比較大。6頻率869.0MHz這個頻率范圍為868870MHz，處于UHF頻段。自1997年以來，該頻段在歐洲允許短距離設(shè)備使用，因而也可以作為RFID頻率使用。一些遠東國家也在考慮對短距離設(shè)備允許使用這個頻率范圍。7

5、頻率915.0MHz在美國和澳大利亞，頻率范圍888889MHz和902928MHz已可使用，并被反向散射RFID系統(tǒng)使用。這個頻率范圍在歐洲還沒有提供ISM應(yīng)用。與此鄰近的頻率范圍被按CT1和CT2標準生產(chǎn)的無繩電話占用。8頻率2.45GHz這個ISM頻率的范圍為2.4002.483 5GHz，屬于微波波段，也處于UHF頻段，與業(yè)余無線電愛好者和無線電定位服務(wù)使用的頻率范圍部分重疊。該頻段電磁波是準光線傳播，建筑物和障礙物都是很好的反射面，電磁波在傳輸過程中衰減很大。這個頻率范圍適合反向散射 RFID 系統(tǒng)，除此之外，該頻段典型 ISM 應(yīng)用還有藍牙和802.11協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)等。9頻率5.8

6、GHz這個ISM頻率的范圍為5.7255.875GHz，屬于微波波段，與業(yè)余無線電愛好者和無線電定位服務(wù)使用的頻率范圍部分重疊。這個頻率范圍內(nèi)的典型ISM應(yīng)用是反向散射RFID系統(tǒng)，可以用于高速公路RFID系統(tǒng)，還可用于大門啟閉（在商店或百貨公司）系統(tǒng)。10頻率24.125GHz這個ISM頻率的范圍為24.0024.25GHz，屬于微波波段，與業(yè)余無線電愛好者、無線電定位服務(wù)以及地球資源衛(wèi)星服務(wù)使用的頻率范圍部分重疊。在這個頻率范圍內(nèi)，目前尚沒有射頻識別系統(tǒng)工作，此波段主要用于移動信號傳感器，也用于傳輸數(shù)據(jù)的無線電定向系統(tǒng)。11其他頻率的應(yīng)用135kHz以下的頻率范圍沒有作為工業(yè)、科學和醫(yī)療（

7、ISM）頻率保留，這個頻段被各種無線電服務(wù)大量使用。除了ISM頻率外，135kHz以下的整個頻率范圍RFID也是可用的，因為這個頻段可以用較大的磁場強度工作，特別適用于電感耦合的RFID系統(tǒng)。根據(jù)這個頻段電磁波的傳播特性，占用這個頻率范圍的無線電服務(wù)可以達到半徑1 000km公里以上。在這個頻率范圍內(nèi)，典型的無線電服務(wù)是航空導航無線電服務(wù)、航海導航無線電服務(wù)、定時信號服務(wù)、頻率標準服務(wù)以及軍事無線電服務(wù)。一個用這種頻率工作的射頻識別系統(tǒng)，將使讀寫器周圍幾百米內(nèi)的無線電鐘失效，為了防止這類沖突，未來可能在70119kHz之間規(guī)定一個保護區(qū)，不允許RFID系統(tǒng)占用。 RFID使用的頻段（1）射頻識

8、別RFID產(chǎn)生并輻射電磁波，但是RFID系統(tǒng)要顧及其他無線電服務(wù)，不能對其他無線電服務(wù)造成干擾，因此RFID系統(tǒng)通常使用為工業(yè)、科學和醫(yī)療特別保留的ISM頻段。ISM頻段為6.78MHz、13.56MHz、27.125MHz、40.68MHz、433.92MHz、869.0MHz、915.0MHz、2.45GMHz、5.8GHz以及24.125GHz等，RFID常采用上述某些ISM頻段，除此之外，RFID也采用0135kHz之間的頻率。RFID系統(tǒng)在讀寫器和電子標簽之間通過射頻無線信號自動識別目標對象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。讀寫器和電子標簽之間射頻信號的傳輸主要有兩種方式，一種是電感耦合方式，一種是

9、電磁反向散射方式，這兩種方式采用的頻率不同，工作原理也不同。1RFID電感耦合方式使用的頻率電感耦合方式的RFID系統(tǒng)，電子標簽一般為無源標簽，其工作能量通過電感耦合方式從讀寫器天線的近場中獲得。電子標簽與讀寫器之間傳送數(shù)據(jù)時，電子標簽需要位于讀寫器附近，通信和能量傳輸由讀寫器和電子標簽諧振電路的電感耦合來實現(xiàn)。在這種方式中，讀寫器和電子標簽的天線是線圈，讀寫器的線圈在它周圍產(chǎn)生磁場，當電子標簽通過時，電子標簽線圈上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，整流后可為電子標簽上的微型芯片供電，使電子標簽開始工作。RFID 電感耦合方式中，讀寫器線圈和電子標簽線圈的電感耦合如圖 4.1所示。計算表明，在與線圈天線的距離增

10、大時，磁場強度的下降起初為60dB/10倍頻程，當過渡到距離天線 /2 之后，磁場強度的下降為20dB/10倍頻程。另外，工作頻率越低，工作波長越長，例如，6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz的工作波長分別為44m、22m和11m?？梢钥闯觯谧x寫器的工作范圍內(nèi)（例如0-10cm），使用頻率較低的工作頻率有利于讀寫器線圈和電子標簽線圈的電感耦合?，F(xiàn)在電感耦合方式的RFID系統(tǒng)，一般采用低頻和高頻頻率，典型的頻率為125kHz、135kHz、6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz。（1）小于135kHz的RFID系統(tǒng)。該頻段電子標簽工作在低頻，最常用的工作頻率為12

11、5kHz。該頻段RFID系統(tǒng)的工作特性和應(yīng)用如下。工作頻率不受無線電頻率管制約束。閱讀距離一般情況下小于1m。有較高的電感耦合功率可供電子標簽使用。無線信號可以穿透水、有機組織和木材等。典型應(yīng)用為動物識別、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜等。與低頻電子標簽相關(guān)的國際標準有用于動物識別的ISO11784/11785和空中接口協(xié)議ISO18000-2（125135kHz）等。非常適合近距離、低速度、數(shù)據(jù)量要求較少的識別應(yīng)用。（2）6.78MHz的RFID系統(tǒng)。該頻段電子標簽工作在高頻，RFID系統(tǒng)的工作特性和應(yīng)用如下。與13.56MHz相比，電子標簽可供使用的功率大一些。與13.56MHz相比，時

12、鐘頻率降低一半。有一些國家沒有使用該頻段。（3）13.56MHz的RFID系統(tǒng)。該頻段電子標簽工作在高頻，RFID系統(tǒng)的工作特性和應(yīng)用如下。這是最典型的RFID高頻工作頻率。該頻段的電子標簽是實際應(yīng)用中使用量最大的電子標簽之一。該頻段在世界范圍內(nèi)用作ISM頻段使用。我國第二代身份證采用該頻段。數(shù)據(jù)傳輸快，典型值為106kbit/s。高時鐘頻率，可實現(xiàn)密碼功能或使用微處理器。典型應(yīng)用包括電子車票、電子身份證、電子遙控門鎖控制器等。相關(guān)的國際標準有ISO14443、ISO15693和ISO18000-3等。電子標簽一般制成標準卡片形狀。（4）27.125MHz的RFID系統(tǒng)。不是世界范圍的ISM頻

13、段。數(shù)據(jù)傳輸較快，典型值為424kbit/s。高時鐘頻率，可實現(xiàn)密碼功能或使用微處理器。與13.56MHz相比，電子標簽可供使用的功率小一些。2RFID電磁反向散射方式使用的頻率電磁反向散射的RFID系統(tǒng)，采用雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標的信息。該方式一般適合于微波頻段，典型的工作頻率有433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz，屬于遠距離RFID系統(tǒng)。微波電子標簽分為有源標簽與無源標簽兩類，電子標簽工作時位于讀寫器的遠區(qū)，電子標簽接收讀寫器天線的輻射場，讀寫器天線的輻射場為無源電子標簽提供射頻能量，將有源電子標簽喚醒。該方式RFID系統(tǒng)的

14、閱讀距離一般大于1m，典型情況為47m，最大可達10m以上。讀寫器天線一般為定向天線，只有在讀寫器天線定向波束范圍內(nèi)的電子標簽可以被讀寫。該方式讀寫器天線和電子標簽天線的電磁輻射如圖4.2所示。（1）800/900MHz的RFID系統(tǒng)。該頻段是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的主要頻段。860960MHz是EPC Gen2標準描述的第二代EPC標簽與讀寫器之間的通信頻率。EPC Gen2標準是EPC Global最主要的RFID標準，Gen2標簽?zāi)軌蚬ぷ髟?60960MHz頻段，世界不同地區(qū)分配了不同電磁頻譜用于UHF RFID，Gen2標準的讀寫器能適用不同區(qū)域的要求。我國根據(jù)頻率使用的實際狀況及相關(guān)的試驗結(jié)果，

15、結(jié)合我國相關(guān)部門的意見，并經(jīng)過頻率規(guī)劃專家咨詢委員會的審議，規(guī)劃840845MHz及920925MHz頻段用于RFID技術(shù)。以目前技術(shù)水平來說，無源微波標簽比較成功的產(chǎn)品相對集中在800/900MHz頻段，特別是902928MHz工作頻段上。800/900MHz的設(shè)備造價較低。（2）2.45GHz的RFID系統(tǒng)。該頻段是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的主要頻段。日本泛在識別UID（Ubiquitous ID）標準體系是射頻識別三大標準體系之一，UID使用2.45GHz的RFID系統(tǒng)。（3）5.8GHz的RFID系統(tǒng)。該頻段的使用比800/900MHz及2.45GHz頻段少。國內(nèi)外在道路交通方面使用的典型頻率為5.

16、8GHz。5.8GHz多為有源電子標簽。5.8GHz比800/900MHz的方向性更強。5.8GHz的數(shù)據(jù)傳輸速度比800/900MHz更快。5.8GHz相關(guān)設(shè)備的造價較800/900MHz更高。4.4 低頻和高頻RFID電磁場的特性低頻和高頻RFID系統(tǒng)基本上都采用電感耦合識別方式，電感耦合方式的電子標簽幾乎都是無源的，這意味著電子標簽工作的全部能量都要由讀寫器獲得。由于低頻和高頻RFID的波長較長，電子標簽基本都處于讀寫器天線的近區(qū)，電子標簽通過感應(yīng)而不是通過輻射獲得信號和能量，因此電子標簽與讀寫器的距離很近，這樣電子標簽可以獲得較大的能量。低頻和高頻RFID電子標簽與讀寫器的天線基本上都

17、是線圈的形式，兩個線圈之間的作用可以理解為變壓器的耦合，兩個線圈之間的耦合功率傳輸效率與工作頻率、線圈匝數(shù)、線圈面積、線圈間的距離和線圈的相對角度等多種因素相關(guān)。低頻和高頻RFID系統(tǒng)起步較早，已經(jīng)有幾十年的應(yīng)用歷史。現(xiàn)在低頻和高頻RFID系統(tǒng)比較成熟，國內(nèi)技術(shù)與國際技術(shù)沒有太大差別，國內(nèi)第二代身份證、城市一卡通和門禁卡等都采用這些頻段，是目前應(yīng)用范圍較廣的RFID頻段。3RFID電磁波的傳播機制當有障礙物（包括地面）時，電磁波存在直射、反射、繞射和散射等多種情況，這幾種情況是在不同傳播環(huán)境下產(chǎn)生的。（1）直射、反射、繞射和散射。直射：是指電磁波在自由空間傳播，沒有任何障礙物。反射：是由障礙物

18、產(chǎn)生的，當障礙物的幾何尺寸遠大于波長時，電磁波不能繞過該物體，在該物體表面發(fā)生反射。當反射發(fā)生時，一部分能量被反射回來，另一部分能量透射到障礙物內(nèi)，反射系數(shù)與障礙物的電特性和物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。繞射：也是由障礙物產(chǎn)生的，電波繞過傳播路徑上障礙物的現(xiàn)象稱為繞射。當障礙物的尺寸與波長相近，且障礙物有光滑邊緣時，電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。電磁波的繞射能力與電波相對于障礙物的尺寸相關(guān)，波長越大于障礙物尺寸，繞射能力越強。散射：也與障礙物相關(guān)，當障礙物的尺寸或障礙物的起伏小于波長，電波傳播的過程中遇到數(shù)量較大的障礙物時，電磁波發(fā)生散射。散射經(jīng)常發(fā)生在粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體的表面。（2）RFI

19、D電磁波的傳播?？偟膩碚f，微波RFID希望收發(fā)天線之間沒有障礙物，提供電磁波直射的環(huán)境。微波RFID的頻率主要包括433MHz、800/900MHz、2.45GHz或5.8GHz，其中433MHz和800/900MHz頻段電波的繞射能力較強，障礙物對電波傳播的影響較??；2.45GHz和5.8GHz電磁波的波長較短，收發(fā)天線直線之間最好沒有障礙物。當頻率達到GHz時，不僅障礙物對電波傳播有影響，云雨霧也對電波傳播有影響，而且頻率越高、波長越短時，云雨霧的影響越大。4衰減與衰落讀寫器和電子標簽所處的環(huán)境比較復雜，電波在空間傳播時會發(fā)生衰減和衰落。衰減和衰落是不同的概念，衰減指發(fā)射天線的信號到達接收

20、天線時信號的振幅減小，衰落指接收點的信號隨時間隨機的起伏。（1）衰減。電波由發(fā)射天線到接收天線的過程中，產(chǎn)生衰減的因素很多，主要包括自由空間的傳輸損耗、障礙物的分隔和阻擋等。自由空間的傳輸損耗自由空間的傳輸損耗與工作頻率、讀寫器與電子標簽的距離有關(guān)。當工作頻率分別為900MHz、2.4GHz和5.8GHz，讀寫器與電子標簽的距離為1m10m時，自由空間的傳輸損耗如表4.3所示。表4.3自由空間的傳輸損耗讀寫器與電子標簽的距離衰減（900MHz）衰減（2.4GHz）衰減（5.8GHz）1m31.5dB40.0dB47.7dB2m37.6dB46.1dB53.7dB3m41.1dB49.6dB57

21、.3dB4m43.6dB52.1dB59.8dB續(xù)表讀寫器與電子標簽的距離衰減（900MHz）衰減（2.4GHz）衰減（5.8GHz）5m45.5dB54.0dB61.7dB6m47.1dB55.6dB63.3dB7m48.4dB57.0dB64.6dB8m49.6dB58.1dB65.8dB9m50.6dB59.1dB66.8dB10m51.5dB60.1dB67.7dB障礙物分隔和阻擋的損耗障礙物的分隔和阻擋也能造成信號衰減，表4.4給出了室內(nèi)環(huán)境下不同頻率、不同障礙物造成的平均信號衰減。表4.4室內(nèi)障礙物分隔和阻擋造成的信號衰減材 料 類 型工 作 頻 率信 號 衰 減參 考各種金屬81

22、5MHz26dB【Cox83b】鋁框815MHz20.4dB【Cox83b】混凝土墻1300MHz8-15dB【Rap91c】混凝土地板1300MHz10dB【Rap91c】混凝土墻815MHz3.9dB【Cox83b】金屬樓梯1300MHz5dB【Rap91c】輕質(zhì)織物1300MHz3-5dB【Rap91c】一層樓的損耗1300MHz20-30dB【Rap91c】2有耗媒質(zhì)中RFID電波衰減在RFID環(huán)境中，有時會存在有耗媒質(zhì)，使電波出現(xiàn)衰減。媒質(zhì)的電導率越大，RFID的工作頻率越高，電波衰減越大。當電波傳播遇到潮濕媒質(zhì)時，如潮濕木材時，電波將出現(xiàn)損耗。當電波傳播遇到水時，如水產(chǎn)品時，電波將

23、出現(xiàn)損耗。當電波傳播遇到有機物質(zhì)時，如各種動物時，電波將出現(xiàn)損耗。當電波傳播遇到金屬時，如銅、鋁、鐵時，電波將出現(xiàn)非常大的損耗。第6章 RFID中的天線技術(shù)天線技術(shù)對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、超高頻及微波天線，每一頻段天線又分為電子標簽天線和讀寫器天線，不同頻段天線的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計方法和應(yīng)用方式有很大差異，導致RFID天線種類繁多、應(yīng)用各異。在低頻和高頻頻段，讀寫器與電子標簽基本都采用線圈天線。微波RFID天線形式多樣，可以采用對稱振子天線、微帶天線、陣列天線和寬帶天線等，同時微波RFID的電子標簽較小，天線要求低造價、小型化

24、，因此微波RFID出現(xiàn)了許多天線制作的新技術(shù)。為適應(yīng)世界范圍電子標簽的快速應(yīng)用和不斷發(fā)展，需要提高RFID天線的設(shè)計效率，降低RFID天線的制造成本，因此RFID天線大量使用仿真軟件進行設(shè)計，并采用了多種制作工藝。天線仿真軟件功能強大，已經(jīng)成為天線技術(shù)的一個重要手段，天線仿真和測試相結(jié)合，可以基本滿足RFID天線設(shè)計的需要。RFID天線制作工藝主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法，這些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，天線制作的新工藝可使RFID天線制作成本大大降低，走出應(yīng)用成本瓶頸，并促進RFID技術(shù)進一步發(fā)展。6.1 RFID天線的應(yīng)用及設(shè)計現(xiàn)狀RFID在不同的應(yīng)用環(huán)境中使用

25、不同的工作頻段，因此需要采用不同的天線通信技術(shù)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線交換。按照現(xiàn)在RFID系統(tǒng)的工作頻段，天線可以分為低頻LF、高頻HF、超高頻UHF及微波天線，不同頻段天線的工作原理不同，使得不同天線的設(shè)計方法也有本質(zhì)的不同。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線，這兩種天線按方向性可分為全向天線和定向天線等；按外形可分為線狀天線和面狀天線等；按結(jié)構(gòu)和形式可分為環(huán)形天線、偶極天線、雙偶極天線、陣列天線、八木天線、微帶天線和螺旋天線等。在低頻和高頻頻段，RFID系統(tǒng)主要采用環(huán)形天線，用以完成能量和數(shù)據(jù)的電感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波頻

26、段，RFID系統(tǒng)可以采用的天線形式多樣，用以完成不同任務(wù)。 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)用需要對上述參數(shù)加以權(quán)衡。1RFID天線應(yīng)用的一般要求（1）電子標簽天線。一般來講，RFID電子標簽天線需要滿足如下條件。RFID天線必須足夠小，以至于能夠附著到需要的物品上。RFID天線必須與電子標簽有機地結(jié)合成一體，或貼在表面，或嵌入到物體內(nèi)部。RFID天線的讀取距離依賴天線的方向性，一些應(yīng)用需要標簽具備特定的方向性，例如有全向或半球覆蓋的方向

27、性，以滿足零售商品跟蹤等的需要。RFID天線提供最大可能的信號給多種標簽的芯片。無論物品在什么方向，RFID天線的極化都能與讀寫器的詢問信號相匹配。RFID天線具有應(yīng)用的靈活性。電子標簽可能被用在高速的傳輸帶上，此時有多普勒頻移，天線的頻率和帶寬要不影響RFID工作。電子標簽在讀寫器讀取區(qū)域的時間很少，要求有很高的讀取速率，所以RFID系統(tǒng)必須保證標簽識別的快速無誤。RFID天線具有應(yīng)用的可靠性。RFID標簽必須可靠，并保證因溫度、濕度、壓力和在標簽插入、印刷和層壓處理中的存活率。RFID天線的頻率和頻帶。頻率和頻帶要滿足技術(shù)標準，標簽期望的工作頻率帶寬依賴于標簽使用地的規(guī)定。RFID天線具有

28、魯棒性。RFID天線非常便宜。RFID標簽天線必須是低成本，這約束了天線結(jié)構(gòu)和根據(jù)結(jié)構(gòu)使用的材料。標簽天線多采用銅、鋁或銀油墨。（2）讀寫器天線。讀寫器天線即可以與讀寫器集成在一起，也可以采用分離式。對于遠距離系統(tǒng)，天線和讀寫器采取分離式結(jié)構(gòu)，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。讀寫器天線設(shè)計要求低剖面、小型化。讀寫器由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化發(fā)展。讀寫器天線設(shè)計要求多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計問題。目前國際上已經(jīng)開始研究讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣。2RFID天線的極化不同的RFID系統(tǒng)采用的天線極化方式不同。有些應(yīng)用可以采

29、用線極化，例如在流水線上，這時電子標簽的位置基本上是固定不變的，電子標簽的天線可以采用線極化方式。但在大多數(shù)場合，由于電子標簽的方位是不可知的，所以大部分RFID系統(tǒng)采用圓極化天線，以使RFID系統(tǒng)對電子標簽的方位敏感性降低。3RFID天線的方向性RFID系統(tǒng)的工作距離，主要與讀寫器給電子標簽的供電有關(guān)。隨著低功耗電子標簽芯片技術(shù)的發(fā)展，電子標簽的工作電壓不斷降低，所需功耗很小，這使得進一步增大系統(tǒng)工作距離的潛能轉(zhuǎn)移到天線上，這就要求有方向性較強的天線。如果天線波瓣寬度越窄，天線的方向性越好，天線的增益越大，天線作用的距離越遠，抗干擾能力越強，但同時天線的覆蓋范圍也就越小。4RFID天線的阻抗

30、問題為了以最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來，天線設(shè)計多采用50 或75 的阻抗匹配，但是可能還有其他情況。例如，一個縫隙天線可以設(shè)計幾百歐姆的阻抗；一個折疊偶極子的阻抗可以是一個標準半波偶極子阻抗的幾倍；印刷貼片天線的引出點能夠提供一個40100 的阻抗范圍。5RFID的環(huán)境影響電子標簽天線的特性，受所標識物體的形狀和電參數(shù)影響。例如，金屬對電磁波有衰減作用，金屬表面對電磁波有反射作用，彈性襯底會造成天線變形等，這些影響在天線設(shè)計與應(yīng)用中必須加以解決。以在金屬物體表面使用天線為例，目前有價值的解決方案有兩個，一個是從天線的形式出發(fā)，采用微帶貼片天線或倒F天線等，另

31、一個是采用雙層介質(zhì)、介質(zhì)覆蓋或電磁帶隙等 RFID天線的設(shè)計現(xiàn)狀在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和讀寫器天線，這兩種天線的設(shè)計要求和面臨的技術(shù)問題是不同的。1RFID電子標簽天線的設(shè)計電子標簽天線的設(shè)計目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片，這需要仔細設(shè)計天線和自由空間的匹配，以及天線與標簽芯片的匹配。當工作頻率增加到微波波段，天線與電子標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。一直以來，電子標簽天線的開發(fā)是基于50 或者75 輸入阻抗，而在RFID應(yīng)用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準確測試，缺少準確的參數(shù)，天線的設(shè)計難以達到最佳。電子標簽天線的設(shè)計還面臨許多其他難題，如相應(yīng)的

32、小尺寸要求，低成本要求，所標識物體的形狀及物理特性要求，電子標簽到貼標簽物體的距離要求，貼標簽物體的介電常數(shù)要求，金屬表面的反射要求，局部結(jié)構(gòu)對輻射模式的影響要求等，這些都將影響電子標簽天線的特性，都是電子標簽設(shè)計面臨的問題。2RFID讀寫器天線的設(shè)計對于近距離RFID系統(tǒng)（如13.56MHz小于10cm的識別系統(tǒng)），天線一般和讀寫器集成在一起；對于遠距離RFID系統(tǒng)（如UHF頻段大于3m的識別系統(tǒng)），天線和讀寫器常采取分離式結(jié)構(gòu)，并通過阻抗匹配的同軸電纜將讀寫器和天線連接到一起。讀寫器由于結(jié)構(gòu)、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化發(fā)展，使得讀寫器天線的設(shè)計面臨新的挑

33、戰(zhàn)。讀寫器天線設(shè)計要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器，還將涉及天線陣的設(shè)計問題，小型化帶來的低效率、低增益問題等，這些目前是國內(nèi)外共同關(guān)注的研究課題。目前已經(jīng)開始研究讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，通過智能天線使系統(tǒng)能夠感知天線覆蓋區(qū)域的電子標簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍，使讀寫器能夠判定目標的方位、速度和方向信息，具有空間感應(yīng)能力。3RFID天線的設(shè)計步驟RFID電子標簽天線的性能，很大程度依賴于芯片的復數(shù)阻抗，復數(shù)阻抗是隨頻率變換的，因此天線尺寸和工作頻率限制了最大可達到的增益和帶寬，為獲得最佳的標簽性能，需要在設(shè)計時做折衷，以滿足設(shè)計要求。在天線的設(shè)

34、計步驟中，電子標簽的讀取范圍必須嚴密監(jiān)控，在標簽構(gòu)成發(fā)生變更或不同材料不同頻率的天線進行性能優(yōu)化時，通常采用可調(diào)天線設(shè)計，以滿足設(shè)計允許的偏差。設(shè)計RFID天線時，首先選定應(yīng)用的種類，確定電子標簽天線的需求參數(shù)；然后根據(jù)電子標簽天線的參數(shù)，確定天線采用的材料，并確定了電子標簽天線的結(jié)構(gòu)和ASIC封裝后的阻抗；最后采用優(yōu)化的方式，使ASIC封裝后的阻抗與天線匹配，綜合仿真天線的其他參數(shù)，讓天線滿足技術(shù)指標，并用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測各項指標。RFID電子標簽天線的設(shè)計步驟如圖6.1所示。很多天線因為使用環(huán)境復雜，使得RFID天線的解析方法也很復雜，天線通常采用電磁模型和仿真工具來分析。天線典型的電磁模型

35、分析方法為有限元法FEM、矩量法MOM和時域有限差分法FDTD等。仿真工具對天線的設(shè)計非常重要，是一種快速有效的天線設(shè)計工具，目前在天線技術(shù)中使用越來越多。典型的天線設(shè)計方法，首先是將天線模型化，然后將模型仿真，在仿真中監(jiān)測天線射程、天線增益和天線阻抗等，并采用優(yōu)化的方法進一步調(diào)整設(shè)計，最后對天線加工并測量，直到滿足要求。6.2 低頻和高頻RFID天線技術(shù)在低頻和高頻頻段，讀寫器與電子標簽基本都采用線圈天線，線圈之間存在互感，使一個線圈的能量可以耦合到另一個線圈，因此讀寫器天線與電子標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簽天線是近場耦合，電子標簽處于讀寫器的近區(qū)，當超出上述范圍

36、時，近場耦合便失去作用，開始過渡到遠距離的電磁場。當電子標簽逐漸遠離讀寫器，處于讀寫器的遠區(qū)時，電磁場將擺脫天線，并作為電磁波進入空間。本節(jié)所討論的低頻和高頻RFID天線，是基于近場耦合的概念進行設(shè)計。 低頻和高頻RFID天線的結(jié)構(gòu)和圖片低頻和高頻RFID天線可以有不同的構(gòu)成方式，并可以采用不同的材料。圖6.2所示為幾種實際RFID低頻和高頻天線的圖片，由這些圖片可以看出各種RFID天線的結(jié)構(gòu)，同時這些圖片還給出了與天線相連的芯片。由圖6.2可以看出，低頻和高頻RFID天線有如下特點。（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

37、很多，電子標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)成的電子標簽，可以比拇指還小。（6）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽，可以在條帶上批量生產(chǎn)。 低頻和高頻RFID天線的磁場安培從實驗中總結(jié)出，電流在周圍產(chǎn)生了磁場。電流周圍磁場的存在方式，與電流的分布有關(guān)，不同的電流分布，在周圍會產(chǎn)生不同的磁感應(yīng)強度。1直線周圍產(chǎn)生的磁場根據(jù)安培定律，長直電流周圍將產(chǎn)生磁場強度，磁場強度為：磁感應(yīng)強度與磁場強度的關(guān)系為：式（6.2）中， （亨/米），稱為真空中的磁導率； 稱為相對磁導率，用來描述媒質(zhì)的參數(shù)。長直電流周圍產(chǎn)生的磁場如圖6.3所示。2圓形線

38、圈周圍產(chǎn)生的磁場很多低頻和高頻RFID天線是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，采用了短圓柱形線圈，短圓柱形線圈在周圍產(chǎn)生的磁場為：式（6.3）中，R為線圈的半徑，Z為在線圈中心軸線上距線圈圓心的距離，I為圓形線圈上的電流，N為圓形線圈的圈數(shù)。短圓柱形線圈的結(jié)構(gòu)和在周圍產(chǎn)生的磁場如圖 6.4所示。短圓柱形線圈周圍的磁場有如下特點。（1）磁場與線圈的圈數(shù) 有關(guān)，線圈的圈數(shù)越大，磁場越強。一般低頻線圈的圈數(shù)較多，有幾百至上千圈；高頻線圈的圈數(shù)較少，有幾至幾十圈。（2）當被測點沿線圈軸 離開線圈時，如果 ，磁場的強度幾乎不變。當Z=0時，磁場的公式簡化為：（3）當被測點沿線圈軸 離開線圈較大時，即 時，磁場強度的衰減與Z的三

39、次方成比例，衰減比較急劇，衰減約為60dB/10倍距離。這時磁場的公式簡化為3矩形線圈周圍產(chǎn)生的磁場有些低頻和高頻RFID天線是矩形線圈結(jié)構(gòu)，當被測點沿線圈軸離開線圈Z時，矩形線圈結(jié)構(gòu)在軸線產(chǎn)生的磁場為3矩形線圈周圍產(chǎn)生的磁場有些低頻和高頻RFID天線是矩形線圈結(jié)構(gòu)，當被測點沿線圈軸離開線圈Z時，矩形線圈結(jié)構(gòu)在軸線產(chǎn)生的磁場為式（6.6）中，a和b為矩形線圈的兩個邊長，Z為在線圈中心軸線上距線圈中心的距離，i為矩形上線圈的電流，N為矩形線圈的圈數(shù)。計算結(jié)果證實，當被測點沿線圈軸Z離開線圈時，如果 及 ，即在與線圈的距離較近時，磁場的強度幾乎不變。當被測點沿線圈軸 離開線圈較大時，磁場強度的衰減

40、比較急劇。 低頻和高頻RFID天線的最佳尺寸線圈天線的最佳尺寸，是指線圈上的電流I為常數(shù)，且與天線的距離Z為常數(shù)時，線圈的尺寸與磁場的關(guān)系。下面以圓環(huán)形線圈為例，討論線圈的最佳尺寸。為從數(shù)學上討論最大磁場與線圈尺寸的關(guān)系，需要對式（6.3）中的磁場求導，計算出磁場的拐點。計算的結(jié)果表明，最大磁場與線圈尺寸的關(guān)系為：式（6.7）表明，當距離Z為常數(shù)時，如果線圈的半徑為 ，可以獲得最大磁場。也就是說，當線圈的半徑R為常數(shù)時，如果距離為 ，可以獲得最大磁場。雖然增大線圈的半徑R，會在線圈的較遠處Z獲得最大的磁場，但由式（6.3）可以看出，隨著距離Z的增大，會使磁場值減小，影響電子標簽與讀寫器線圈之間

41、的耦合強度，導致對電子標簽?zāi)芰康墓┙o降低。6.3 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簽天線之間的距離較遠，一般超過1m，典型值為110m；微波RFID的電子標簽較小，使天線的小型化成為設(shè)計的重點；微波RFID天線形式多樣，可以采用對稱振子天線、微帶天線、陣列天線和寬帶天線等；微波RFID天線要求低造價，因此出現(xiàn)了許多天線制作的新技術(shù)。 微波RFID天線的結(jié)構(gòu)、圖片和應(yīng)用方式微波RFID天線結(jié)構(gòu)多樣，是物聯(lián)網(wǎng)天線的主要形式，可以應(yīng)

42、用在制造、物流、防偽和交通等多種領(lǐng)域，是現(xiàn)在RFID天線的主要形式。1微波RFID天線的結(jié)構(gòu)和圖片圖6.5給出了幾種實際RFID微波天線的圖片，由這些圖片可以看出各種微波RFID天線的結(jié)構(gòu)以及與天線相連的芯片。由圖6.5可以看出，微波RFID天線有如下特點。（1）微波RFID天線的結(jié)構(gòu)多樣。（2）很多電子標簽天線的基板是柔軟的，適合粘帖在各種物體的表面。（3）天線的尺寸比芯片的尺寸大很多，電子標簽的尺寸主要是由天線決定的。（4）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽，很多是在條帶上批量生產(chǎn)。（5）由天線和芯片構(gòu)成的電子標簽尺寸很小。（6）有些天線提供可擴充裝置，來提供短距離和長距離的RFID電子標簽。2微

43、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，通過傳動皮帶送入倉庫。（2）紙箱上貼有標簽，標簽有兩種形式，一種是電子標簽，一種是條碼標簽。為防止電子標簽損毀，紙箱上還貼有條碼標簽，以作備用。（3）在倉庫門口，放置3個讀寫器天線，讀寫器天線用來識別紙箱上的電子標簽，從而完成物品識別與跟蹤的任務(wù)。微波RFID天線在紙箱跟蹤中的應(yīng)用如圖6.6所示。 微波RFID天線的設(shè)計（1）微波RFID天線的設(shè)計，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

44、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，下面對這些天線加以討論。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，從而具有至少兩個導體段，每個導體段分別具有一個延伸軸，這些導體段借助于一個連接段相互平行且有間隔地排列，并且第一導體段向空間延伸，折返的第二導體段與第一導體段垂直，第一和第二導體段擴展成一個導體平面。彎曲偶極子天線如圖6.7所示。因為尺寸和調(diào)諧的要求，偶極子天線采用彎曲結(jié)構(gòu)是一個自然的選擇。彎曲允許天線緊湊，并提供了與彎曲軸垂直平面

45、上的全向性能。為更好控制天線電阻，增加了一個同等寬度的載荷棒作為彎曲輪廓；為供給芯片一個好的電容性阻抗，需進一步彎曲截面；彎曲輪廓的長度和載荷棒可以變更，以獲得適宜的阻抗匹配。彎曲天線有幾個關(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，如圖6.7所示。通過調(diào)整上述參數(shù)，可以改變天線的增益和阻抗，并改變電子標簽的諧振、最高射程和帶寬。圖6.8給出了一種最高射程與頻率的曲線關(guān)系。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，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

46、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。下面將微帶天線分為3種基本類型進行討論，這3種類型分別是微帶駐波貼片天線、微帶行波貼片天線和微帶縫隙天線。（1）微帶駐波貼片天線。微帶貼片天線（MPA）是由介質(zhì)基片、在基片一面上任意平面幾何形狀的導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，實際應(yīng)用中由于某些特殊的性能要求和安裝條件的限制，必須用到某種形狀的微帶貼片天線，為使微帶天線適用于各種特殊用途，對各種幾何形狀的微帶貼片天線進行分析就具有相當?shù)闹匾?。各種微帶貼片天線

47、的貼片形狀如圖6.9所示。（2）微帶行波貼片天線。微帶行波天線（MTA）是由基片、在基片一面上的鏈形周期結(jié)構(gòu)或普通的長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載，當天線上維持行波時，可從天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。各種微帶行波天線的形狀如圖6.10所示。（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縫隙饋電，縫隙可以是矩形（寬的或窄的）、圓形或環(huán)形。各種微帶縫隙天線的形狀如圖6.11所示。圖6.11 各種微帶縫隙天線的形狀6.5 RFID天線的制造工藝為

48、適應(yīng)世界范圍電子標簽的快速應(yīng)用和發(fā)展，RFID天線采用了多種制作工藝，這些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來發(fā)展起來的新技術(shù)。RFID標簽天線應(yīng)該具有低成本、高效率和低污染的特性，并應(yīng)考慮各種工藝對參數(shù)的影響，通過導電材料選取、網(wǎng)版選用和基材選擇等，結(jié)合實際工藝方法和工藝實驗，制作出天線實物。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電子標簽天線基本是采用繞線方式制作而成；高頻RFID電子標簽天線利用以上3種方式均可實現(xiàn)，但以蝕刻天線為主，其材料一般為鋁或銅；UHF RFID電子標簽天線則以印刷天線為主。各種標簽天線制作工藝都有優(yōu)缺點，下面將對各種工藝加以介紹。 線圈繞

49、制法利用線圈繞制法制作RFID天線時，要在一個繞制工具上繞制標簽線圈，并使用烤漆對其進行固定，此時天線線圈的匝數(shù)一般較多。將芯片焊接到天線上之后，需要對天線和芯片進行粘合，并加以固定。線圈繞制法制作的RFID天線如圖6.19所示。線圈繞制法的特點如下。（1）頻率范圍為125134kHz的RFID電子標簽，只能采用這種工藝，線圈的圈數(shù)一般為幾百到上千。（2）這種方法的缺點是成本高，生產(chǎn)速度慢。（3）高頻RFID天線也可以采用這種工藝，線圈的圈數(shù)一般為幾到幾十。（4）UHF天線很少采用這種工藝。（5）這種方法天線通常采用焊接的方式與芯片連接，此種技術(shù)只有在保證焊接牢靠、天線硬實、模塊位置十分準確以

50、及焊接電流控制較好的情況下，才能保證較好的連接。由于受控的因素較多，這種方法容易出現(xiàn)虛焊、假焊和偏焊等缺陷。 蝕刻法蝕刻法是在一個塑料薄膜上層壓一個平面銅箔片，然后在銅箔片上涂覆光敏膠，干燥后通過一個正片（具有所需形狀的圖案）對其進行光照，然后放入化學顯影液中，此時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。蝕刻法制作的RFID天線如圖6.20所示。蝕刻法的特點如下。（1）蝕刻天線精度高，能夠與讀寫機的詢問信號相匹配，天線的阻抗、方向性等性能等都很好，天線性能優(yōu)異且穩(wěn)定。（2）這種方法的缺點就是成本太高，制做程序繁瑣，產(chǎn)能低下。（

51、3）高頻RFID標簽常采用這種工藝。（4）蝕刻的RFID標簽?zāi)陀媚晗逓槭暌陨稀?印刷法印刷天線是直接用導電油墨在絕緣基板（薄膜）上印刷導電線路，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)。印刷天線技術(shù)的進步，使RFID標簽的生產(chǎn)成本降低，從而促進了RFID電子標簽的應(yīng)用。印刷天線技術(shù)可以用于大量制造13.56MHz和UHF頻段的RFID電子標簽。該工藝的優(yōu)點是產(chǎn)出最大，成本最低；但是這種方法的缺點是電阻大，附著力低，耐用年限較短。印刷法制作的RFID天線如圖6.21所示。1印刷天線的特點印刷天線與蝕刻天線、繞制天線相比，具有以下獨特之處。（1）可更加精確地調(diào)整電性能參數(shù)。RFID標簽的主要技術(shù)參數(shù)有諧振頻率、Q值和阻抗等。為了達到天線的最優(yōu)性能，印刷RFID標簽可以采用改變天線匝數(shù)、改變天線尺寸和改變線徑粗細的方法，將電性能參數(shù)精確調(diào)整到所需的目標值。（2）可滿足各種個性化要求。印刷天線技術(shù)可以通過局部改變線的寬度、改變晶片層的厚度、改變物體表面的曲率和角度等，來完成RFID多種使用用途，以滿足客戶各種個性化的要求，而不降低任何使用性能。（3）可使用各種不同基體材料。印刷天線可按用戶要求使用不同基體材料，