RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計

2016-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:首先簡要介紹RFID技術(shù)的基本工作原理,說明射頻天線是RFID系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵。然后介紹了幾種基本的RFID射頻天線及其工作原理,并針對普遍使用的偶極子天線在RFID系統(tǒng)中方向性上的不足提出改進,。最后,給出一個具有全向收發(fā)功能的RFID天線設(shè)計。通過設(shè)計仿真工具模擬仿真,并進行實際樣品測試,獲得較滿意的設(shè)計結(jié)果。

自1970 年第一張IC 卡問世起, IC卡成為當(dāng)時微電子技術(shù)市場增長最快的產(chǎn)品之一,到1996 年全世界發(fā)售IC卡就有7 億多張。但是,這種以接觸式使用的IC卡有其自身不可避免的缺點,即接觸點對腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC卡的使用壽命和使用范圍。近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC卡來逐步替代接觸IC卡,其中射頻識別(RFID, radio f re2quency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)與IC卡之間數(shù)據(jù)交換的,顯示出比一般接觸式IC卡使用更便利的優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識別卡。然而,RFID在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。

這里我們將首先通過介紹RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線的設(shè)計是RFID不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID天線及其設(shè)計原理。最后介紹利用Ansof t HFSS工具來設(shè)計了一種全向的RFID天線。

1 RFID 技術(shù)原理

通常情況下, RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成的,如圖1 所示。其中,讀寫器一般作為計算機終端,用來實現(xiàn)對RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲,它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而RFID卡則是一種無源的應(yīng)答器,主要是由一塊集成電路( IC) 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、存儲器等電路,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進入讀寫器的射頻場后,由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源,同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進行信息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發(fā)回給讀寫器。可見,RFID卡與讀寫器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線。

一方面,無源的RFID卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID卡與讀寫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。

2 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單、成本低的線圈型天線。它們主要工作在中低頻段,而1 m 以上遠距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微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相同的。

2. 1 線圈天線

當(dāng)RFID的線圈天線進入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中,RFID天線與讀寫器天線之

間的相互作用就類似于變壓器,兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次級線圈。由RFID的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID天線的線圈電感L 、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′,其諧振頻率為:

(式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容)。 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID21 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85. 72mm ×54. 03 mm ×0. 76 mm),天線線圈諧振工作頻率通常為13. 56 MHz。目前已研發(fā)出面積最小為0. 4mm ×0. 4 mm 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,如用于動物識別的RFID,線圈外形即面積小的話,RFID與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實際使用。通常在RFID的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補償線圈橫截面減小的問題。

2. 2 微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的,

如圖3 所示。根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計貼片導(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,假設(shè)輻射電場沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個方向沒有變化,僅沿約為半波長(λg/ 2) 的導(dǎo)體長度方向變化。則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場引起的,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題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線。

2. 3 偶極子天線

在遠距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中,最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線) 。偶極子天線及其演化形式如圖4 所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成,信號

從中間的兩個端點饋入,在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場。利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程:式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù),r 是振子中點到觀察點的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個振子臂的長度。同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11 、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù)。

當(dāng)單個振子臂的長度l =λ/ 4 時(半波振子) ,輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個純電阻。在忽略天線粗細的橫向影響下,簡單的偶極子天線設(shè)計可以取振子的長度l 為λ/ 4 的整數(shù)倍,如工作頻率為2. 45 GHz 的半波偶極子天線,其長度約為6 cm,當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時,可采用圖4-b的折合振子。

3 RFID 射頻天線的設(shè)計

從RFID技術(shù)原理和RFID天線類型介紹上看,RFID 具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID天線的特點和性能。目前,線圈型天線的實現(xiàn)技術(shù)很成熟,雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識別、貨物標(biāo)簽等RFID應(yīng)用系統(tǒng)中,但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應(yīng)用場合,采用線圈型天線則難以設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo)。同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實現(xiàn)工藝較復(fù)雜,成本較高,一時還無法被低成本的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)所選擇。偶極子天線具有輻射能力較強、制造簡單和成本低等優(yōu)點,且可以設(shè)計成適用于全方向通訊的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)。因此,下面我們來具體設(shè)計一個工作于2. 45 GHz (國際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段) 的RFID 偶極子天線。

半波偶極子天線模型如圖4.2a 所示。天線采用銅材料(電導(dǎo)率:5. 8e7 s/ m ,

磁導(dǎo)率:1) ,位于充滿空氣的立方體中心在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界。輸入信號由天線中心處饋入,也就是RFID芯片的所在位置。對于2.45GHz 的工作頻率其半波長度約為61mm ,設(shè)偶極子天線臂寬w為1mm,且無限薄,由于天線臂寬的影響,要求實際的半波偶極子天線長度為57mm。在Ansof t HFSS 工具平臺上,采用有限元算法對該天線進行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5.2a 所示。輻射場E面(即最大輻射方向和電場矢量所在的平面) 方向圖如圖5.2b 所示。天線輸入阻抗約為72Ω ,電壓駐波比(VSWR) 小于2. 0 時的阻抗帶寬為14. 3 % ,天線增益為1. 8。

從圖5.2b 可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無輻射。如果此時讀寫器處于該方向上,應(yīng)答器將不會做出任何反應(yīng)。為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點,可以對天線做適當(dāng)?shù)淖冃?如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長λ/ 4 成圖4.2c所示。這樣天線總長度修改為(57.0 mm + 2 ×28. 5 mm) ,天線臂寬仍然為1mm。天線臂延長λ/ 4 后,整個天線諧振于1個波長,而非原來的半個波長,這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計算結(jié)果約為2kΩ。其輸入回波損耗S11如圖6.2a 所示。圖6.2b為E面(天線平面) 上的輻射場方向圖,其中實線為仿真結(jié)果,黑點為實際樣品測量數(shù)據(jù),兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計是正確的。從圖6.2b可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經(jīng)近似為全方向的了。電壓駐波比(VSWR) 小于2.0時的阻抗帶寬為12.2 %,增益為1. 4 ,對于大部分RFID應(yīng)用系統(tǒng),該偶極子天線可以滿足要求。

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