RFID技术及其射频天线的小型化设计 - 安防知识网

1引言
RFID（RadioFrequencyIdentification，无线射频识别）技术是一种非接触的自动识别技术，它是将信息在RFID卡（也称作电子标签）上进行编码，再将此标签粘贴在需要被识别或者追踪的物品上，在物品移动时就能实现对该物品的跟踪，形成“流动数据库”。RFID技术具有可靠性高、保密性强、方便快捷等特点，此外，由于它的数据容量大，并可以对标签数据进行更改和加密，同时能够实现非视距扫描，因此被广泛应用在包装、物流等行业。RFID的关键部件是射频天线，常见的天线型式有偶极子天线，线圈天线和微带贴片天线等。由于RFID卡尺寸的限制，天线的小型化成为制约RFID技术发展的瓶颈之一。本文在介绍RFID技术的原理的基础上综合比较了各种天线型式，并分析了射频天线小型化的方法，最后介绍了几种典型的小型化RFID天线。

2RFID技术的原理及应用
2.1RFID系统的组成
RFID系统主要由RFID卡、读写器以及进行数据接收、交换和管理的数据管理系统组成，如图1所示。其中RFID卡由天线和RFID芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，用来标示该RFID卡所附着的物品；读写器用来对RFID卡中的信息进行读写，并通过网络和其他计算机或系统进行通信，完成对RFID卡的信息获取、解释以及数据管理；数据管理系统主要实现数据的接收、交换、和管理，具体实现可由小型数据库来完成，也可以利用集成了RFID管理模块的大型ERP数据库管理软件来实现。

2.2RFID系统的工作原理
读写器首先将射频载波信号通过发射天线向外发射，当装有RFID卡的物品接近读写器并进入读写器发射天线的工作区时，RFID卡的识别标签被激活，并将自身的信息代码通过天线发射出去；系统的接收天线接收到识别标签发出的载波信号之后，经过天线的调节器传送给读写器，读写器对该信号进行解码和解调，并送到数据管理系统；数据管理系统通过逻辑运算判断出该标签是否合法，并作出相应的处理，随后发出指令控制信号送回射频前端电路，最后再通过天线发送回读写器。

3RFID射频天线的小型化设计
3.1RFID的主要天线型式
由RFID系统的工作原理不难看出，在RFID卡和读写器进行通信的过程中，射频天线起到了重要的作用，该作用主要表现在两方面：一是要建立一个稳定的激励电磁场，这样RFID卡的芯片才能获得足够的能量来启动电路进行工作，二是接收来自识别标签的载波信号并传送给读写器，因此选取合适的天线型式对提高系统的性能有着重要的意义。在选择天线时，需要考虑的因素有天线的类型、天线的阻抗，标签附着物品的射频特性以及该物品周围其他物品的射频特性等。[nextpage]

天线的目标是将最大的能量传输至标签芯片，因此在选择天线类型时需要使其阻抗与自由空间及ASIC匹配。目前RFID系统的主要工作频率有435MHz，2.45GHz和5.8GHz，在这些频段中可选择的天线型式主要有以下几种：偶极子天线，微带贴片天线，线圈天线等。

偶极子天线辐射能力强，制造工艺简单，成本低，而且能够实现全向性的方向图，经常被用在远距离RFID系统中。微带贴片天线的方向图是定向的，适用于通信方向变化不大的RFID系统，但相比之下工艺较为复杂，成本也相对较高。线圈天线目前已经有一套成熟的理论和工艺，应用较为广泛，但它只适合于距离在1米以下的近距离RFID系统，在高频率、大信息量以及工作距离和方向不定的场合难于得到广泛应用。

3.2RFID天线的小型化设计技术
RFID系统中所用的射频天线通常是集成在一张小小的RFID卡上，由于RFID卡尺寸的限制，射频天线的小型化就成为决定RFID系统性能的重要因素。近年来在这方面有许多新的技术出现，下面就具体作一介绍：

3.2.1嵌入式线圈天线
文[1]提出了一种嵌入式的线圈天线，如图2所示。将天线在RFID芯片上进行集成是一种有效的减小RFID设备尺寸的理想方法，之所以采用线圈天线，是因为芯片所接收到的电磁感应能量比读卡器天线在近区辐射的电磁感应能量大。该天线为金制，电镀在一块0.4mm×0.4mm的半导体晶片上。能够达到的最大通信距离为1.2mm左右。

3.2.2分形开槽环天线
文[2]提出了一种基于方形Minkowski环的分形平面开槽环天线，这种天线具有双向的方向图，RFID标签在查询验证过程中不需要进行特定的定位处理。图3所示分别为进行了0次、1次、2次迭代后的天线图形。具体实现时，开槽换天线高12.75mm，槽宽0.5mm，通过50ohm的微带线馈电。图中的三个天线的理论谐振频率分别为2.45GHz、1.75GHz和1.45GHz，实测的谐振频率为2.35GHz、1.7GHz和1.38GHz，与理论值吻合很好。

3.2.3低剖面圆极化EBG天线
某些RFID系统需要采用手持设备接收来自不同方向的来波信号，在这种情况下要用到圆极化的天线，螺旋天线[3]可以实现圆极化特性，但是通常是接在金属接地面上，当天线距离接地面很近时，反射波的相位与前向波反相，这样会削弱天线的辐射场。为解决这个问题，文[3]提出了一种低剖面圆极化EBG天线，它将金属接地面改进成EBG（电磁带隙）结构，在接地面上做出一些很小的方形金属贴片来形成高阻表面，如图4所示。改进之后，天线尺寸可以缩小到0.005（此处为自由空间谐振频率对应的波长），能够很好的满足手持设备的需要。不足之处在于采用了EBG结构之后，轴比带宽和增益会有所下降。

4结束语
本文对RFID的技术原理及其天线设计作了较全面的介绍，RFID的实际应用的关键取决于它的天线设计，由于RFID卡尺寸的限制，射频天线的小型化势在必行，文中分别介绍了几种新型的天线小型化技术，这些技术富有启发性，对进一步的研究有一定的意义。