射頻識(shí)別系統(tǒng)中電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與測(cè)試分析 - 全文

射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是由電子標(biāo)簽（Tag/Transponder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無(wú)線通信系統(tǒng)。射頻識(shí)別中的標(biāo)簽是射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線的結(jié)合體。標(biāo)簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動(dòng)標(biāo)簽和被動(dòng)標(biāo)簽。主動(dòng)標(biāo)簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動(dòng)標(biāo)簽則采用感應(yīng)耦合或反向散射工作模式，即通過(guò)標(biāo)簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場(chǎng)或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線的匹配程度，將儲(chǔ)存在標(biāo)簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識(shí)別標(biāo)簽天線的阻抗必須與標(biāo)簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標(biāo)簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識(shí)別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮電子標(biāo)簽所應(yīng)用的場(chǎng)合，如應(yīng)用在金屬物體表面的標(biāo)簽天線和應(yīng)用在普通物體表面的標(biāo)簽天線在天線的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標(biāo)簽天線是射頻識(shí)別在我國(guó)得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

射頻識(shí)別系統(tǒng)與天線分類

對(duì)于采用被動(dòng)式標(biāo)簽的射頻識(shí)別系統(tǒng)而言，根據(jù)工作頻段的不同具有兩種工作模式。一種是感應(yīng)耦合（Induc.tiveCoupling）T作模式，這種模式也稱為近場(chǎng)工作模式，它主要適用用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)：另一種則是反向散射（Backscattering）32作模式，這種模式也稱為遠(yuǎn)場(chǎng)T作模式，主要適用于超高頻和微波RFID系統(tǒng)。

感應(yīng)耦合模式主要是指讀寫器天線和標(biāo)簽天線都采用線圈形式。當(dāng)讀寫器在閱讀標(biāo)簽時(shí)，發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。處于讀寫器天線近場(chǎng)的電子標(biāo)簽天線接收到該信號(hào)并激活標(biāo)簽芯片之后，由標(biāo)簽芯片根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的全球唯一的識(shí)別號(hào)（ID）控制標(biāo)簽天線中的電流大小。這個(gè)電流的大小進(jìn)一步增強(qiáng)或者減小閱讀器天線發(fā)出的磁場(chǎng)。這時(shí)，讀寫器的近場(chǎng)分量展現(xiàn)出被調(diào)制的特性，讀寫器內(nèi)部電路檢鋇0到這個(gè)由于標(biāo)簽而產(chǎn)生的調(diào)制量并解調(diào)并得到標(biāo)簽信息。

在反向散射T作模式中，讀寫器和電子標(biāo)簽之間采用電磁波來(lái)進(jìn)行信息的傳輸。當(dāng)讀寫器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行閱讀識(shí)別時(shí)，首先發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的電磁波，此時(shí)位于遠(yuǎn)場(chǎng)的電子標(biāo)簽天線接收到電磁波信號(hào)并在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電子標(biāo)簽內(nèi)部電路將這個(gè)感應(yīng)電壓進(jìn)行整流并放大用于激活標(biāo)簽芯片。當(dāng)標(biāo)簽芯片激活之后，用自身的全球唯一標(biāo)識(shí)號(hào)對(duì)標(biāo)簽芯片阻抗進(jìn)行變化，當(dāng)電子標(biāo)簽芯片的阻抗和標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配較好時(shí)則基本不反射信號(hào)，而阻抗匹配不好時(shí)則將幾乎全部反射信號(hào)。這樣反射信號(hào)就出現(xiàn)了振幅的變化，這種情況類似于對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制處理。讀寫器通過(guò)接收到經(jīng)過(guò)調(diào)制的反射信號(hào)判斷該電子標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)號(hào)并進(jìn)行識(shí)別。這類天線主要包括微帶天線、平面偶極子天線和環(huán)形天線。圖二是我們研制的能工作于多種識(shí)別環(huán)境下的UHF電子標(biāo)簽天線。

電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與測(cè)試

如前所述，作于低頻與高頻的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用感應(yīng)耦合模式進(jìn)行通信，所以T作于這兩個(gè)頻段的讀寫器與電子標(biāo)簽都采用線圈形式的天線。T作在這兩個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)都受制于近場(chǎng)作用的范圍，從而導(dǎo)致其識(shí)別距離較短。根據(jù)目前的情況來(lái)看，采用近場(chǎng)通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)最大的識(shí)別距離小于1米。

由于低頻和高頻頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用的是電磁場(chǎng)耦合模式，所以系統(tǒng)中的天線都采用線圈形式。采用這種形式的主要原因如下：

1.電磁場(chǎng)的耦合在線圈之間比較緊密：

2.天線采用線圈的形式進(jìn)一步減小了天線的體積進(jìn)而減小了標(biāo)簽的體積：

3.標(biāo)簽芯片的特性要求標(biāo)簽天線具有一定的電抗。

在超高頻和微波波段時(shí)，電子標(biāo)簽和讀寫器之間的通信采用反向散射工作方式。這時(shí)候，連接電子標(biāo)簽和讀寫器之間的橋梁不再是近磁場(chǎng)而是電磁波。此時(shí)，被動(dòng)型電子標(biāo)簽處于讀寫器的電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)中。根據(jù)頻帶的波長(zhǎng)和天線的口徑可以計(jì)算出該頻帶內(nèi)射頻識(shí)別系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)和讀寫器之間的距離。一般來(lái)說(shuō)，被動(dòng)性標(biāo)簽在超高頻范圍內(nèi)的丁作距離可達(dá)10米左有，根據(jù)現(xiàn)有資料來(lái)看。工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被動(dòng)標(biāo)簽工作距離僅為1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射頻識(shí)別系統(tǒng)主要使用位于860～960MHz的超高頻頻段。

在由被動(dòng)型標(biāo)簽天線組成的射頻識(shí)別系統(tǒng)中，標(biāo)簽需要從瀆寫器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)或者電磁波中獲取能量激活標(biāo)簽芯片。所以在電子標(biāo)簽中有一部分電路專門用于檢測(cè)標(biāo)簽天線上的感生電動(dòng)勢(shì)或者感應(yīng)電壓，并通過(guò)二極管電路進(jìn)行整流并經(jīng)過(guò)其他電路進(jìn)行電壓放大等等。這些電路被集成存標(biāo)簽芯片內(nèi)部。當(dāng)芯片進(jìn)行封裝時(shí)通常還會(huì)引入一部分分布式電容。但是，天線設(shè)計(jì)本身并不需要知道芯片中的具體電路而只需要掌握芯片和經(jīng)過(guò)封裝之后的芯片阻抗，并利用最大能量傳遞的法則設(shè)計(jì)天線的輸入阻抗。

由于電子標(biāo)簽芯片的輸出阻抗具有電抗分量，為了達(dá)到能量的最大傳遞，需要將天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)為標(biāo)簽芯片阻抗的共軛。一般而言，電子標(biāo)簽芯片的輸入阻抗為Z=R_X形式。為了獲得共軛形式的阻抗，電子標(biāo)簽天線的阻抗應(yīng)為Z=R+iX形式。

如前文所述，工作在低頻與高頻的射頻識(shí)別系統(tǒng)中的被動(dòng)標(biāo)簽天線采用了線圈形式，這種線圈形式即可引入感抗用于抵消等效電路中的容抗從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片和天線之間的最大能量傳遞。
而對(duì)于T作于超高頻和微波頻段的標(biāo)簽天線而言，為了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天線設(shè)計(jì)中加入環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行感性饋電，或者加入T型配『31等結(jié)構(gòu)。另外，為了在規(guī)定的等效全向輻射功率（EIRP）下獲得更遠(yuǎn)的閱讀距離除了要求電子標(biāo)簽天線也具有高增益。還要求電子標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片之間能夠有足夠的匹配。

在標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真并獲得理想結(jié)果之后，需要將天線加工并進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真的正確性。也正兇為前文中所介紹的標(biāo)簽天線具有復(fù)數(shù)阻抗的特性，其測(cè)試方法和具有實(shí)數(shù)阻抗天線的測(cè)試方法有所區(qū)別。另外，在同一個(gè)標(biāo)簽天線的測(cè)試過(guò)程巾，根據(jù)所需數(shù)據(jù)的不同其測(cè)試方法也有所不同通常測(cè)試天線的過(guò)程中并不需要專門測(cè)試天線的輸入阻抗。但標(biāo)簽天線的阻抗為負(fù)數(shù)阻抗，且其虛部與實(shí)部之比較大（通常X/R》10），這樣的阻抗曲線在smith 圓圖中靠近短路圓不易通過(guò)smith網(wǎng)圖觀察天線的阻抗帶寬。為了獲得標(biāo)簽天線的輸入阻抗?？梢詫y(cè)試設(shè)備的輸出端口直接與天線的輸入端口相連由于這種方式并未考慮標(biāo)簽天線本身具有復(fù)數(shù)阻抗這一特性。天線和測(cè)試設(shè)備之間并沒有取得共軛匹配，此時(shí)只能得到天線的阻抗參數(shù)，諸如散射矩陣參數(shù)和駐波比等常用來(lái)衡量天線的電路參數(shù)不能直接獲得。

為了獲得是散射參數(shù)和駐波比等電路參數(shù)，以便對(duì)天線的阻抗帶寬特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可將實(shí)測(cè)的阻抗參數(shù)帶入相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算或者采用阻抗匹配的方法在測(cè)試設(shè)備和天線之間加入匹配電路。匹配電路可用兩種方法構(gòu)成，一是采用工作頻率較高的分立元件構(gòu)成，二是采用微波電路構(gòu)成。需要注意的是配電路應(yīng)該距離天線端口足夠近。這樣才能獲得較大的帶寬并避免天線和配電路之間的連接線路帶來(lái)的負(fù)面影響。

電路用于標(biāo)簽天線的測(cè)試。不過(guò)采用匹配電路具有一些缺點(diǎn)：

l.不論使用分立元件還是使用微波電路來(lái)構(gòu)成阻抗配電路，其帶寬總是受限的，當(dāng)天線真實(shí)帶寬大于配電路的帶寬時(shí)，所測(cè)試到的帶寬將不再準(zhǔn)確;

2.南于配電路總是存在損耗，所以測(cè)試得到的帶寬和回波損耗值等參數(shù)和真實(shí)的天線參數(shù)有一些差別;

3.引入的配電路總是和天線之間存在距離，從而使得測(cè)試現(xiàn)一定誤差。

采上述使用匹配電路進(jìn)行測(cè)試的方案除了可以獲得一定精度的帶寬和同波損耗等參數(shù)之外，對(duì)于測(cè)試天線的方向圖和增益等輻射特性也是必須的。只有通過(guò)阻抗配電路才能將天線接收到的絕大部分能量基本無(wú)反射地傳遞到測(cè)試系統(tǒng)中，從而測(cè)試相應(yīng)的輻射參數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

隨著射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的場(chǎng)合要求使用射頻識(shí)別系統(tǒng)。電子標(biāo)簽天線作為射頻識(shí)別系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試等均是未來(lái)研究的主要內(nèi)容之一由于電磁波的固有特性，在諸如臨近金屬、液體等環(huán)境中，射頻識(shí)別系統(tǒng)的性能將大打折扣。在這樣的環(huán)境中除了提高讀寫器的性能之外，電子標(biāo)簽天線的性能的提高更為重要。目前我們正在針對(duì)電子標(biāo)簽天線在這些復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用展開研究。另外，柔性電子標(biāo)簽貼附在非平坦表面時(shí)性能也會(huì)有所惡化。如何避免柔性標(biāo)簽應(yīng)用到非平坦表面帶來(lái)的影響也是目前我們另一個(gè)研究重點(diǎn)。