RFID技术原理及其射频天线设计

第 44 卷 　增 刊 厦门大学学报 (自然科学版) Vol. 44 　Sup . 　2005 年 6 月 Journal of Xiamen University (Nat ural Science) J un. 2005 　 RFID 技术原理及其射频天线 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 　　 收稿日期 :2005203210 基金项目 :国家人事部留学人员创业基金 ,福建省自然科学基金计 划资助项目 (A0410007) 作者简介 :陈华君 (1977 - ) ,男 ,博士研究生.3 通讯作者 :dhguo @xmu. edu. cn 陈华君1 ,林　凡2 ,郭东辉1 ,2 ,3 3 ,吴孙桃2 (1. 厦门大学物理学系 , 2. 厦门大学 M EMS 中心 , 3. 厦门大学电子工程系 ,福建 厦门 361005) 摘要 : 首先简要介绍 RFID 技术的基本工作原理 ,说明射频天线是 RFID 系统设计的技术关键 ,然后介绍了几种基本的 RFID 射频天线及其工作原理 ,并针对普遍使用的偶极子天线在 RFID 系统中方向性上的不足提出改进 ,最后 ,给出一个具 有全向收发功能的 RFID 天线设计. 通过设计仿真工具模拟仿真 ,并进行实际样品测试 ,获得较满意的设计结果. 关键词 : RFID ;射频天线 ;电子标签 中图分类号 : TN 820. 12 ; TN 821. 4 　　　　　文献标识码 :A 　　　　　文章编号 :043820479 (2005) Sup20312204 　　自 1970 年第一张 IC 卡问世起 , IC 卡成为当时微 电子技术市场增长最快的产品之一 ,到 1996 年全世界 发售 IC 卡就有 7 亿多张[1 ] . 但是 ,这种以接触式使用 的 IC 卡有其自身不可避免的缺点 ,即接触点对腐蚀和 污染缺乏抵抗能力 ,大大降低了 IC 卡的使用寿命和使 用范围. 近年来人们开始开发应用非接触式 IC 卡来逐 步替代接触式 IC 卡 ,其中射频识别 ( RFID ,radio f re2 quency identification)卡就是一种典型的非接触式 IC 卡 ,它是利用无线通信技术来实现系统与 IC 卡之间数 据交换的 ,显示出比一般接触式 IC 卡使用更便利的优 点 ,已被广泛应用于制作电子标签或身份识别卡. 然 而 ,RFID 在不同的应用环境中需要采用不同天线通 讯技术来实现数据交换的. 这里我们将首先通过介绍 RFID 应用系统的基本工作原理来具体说明射频天线 的设计是 RFID 不同应用系统的关键 ,然后分别介绍 几种典型的 RFID 天线及其设计原理 ,最后介绍利用 Ansof t HFSS 工具来设计了一种全向的 RFID 天线. 1 　RFID 技术原理 通常情况下 , RFID 的应用系统主要由读写器和 RFID 卡两部分组成的 ,如图 1 所示. 其中 ,读写器一 般作为计算机终端 ,用来实现对 RFID 卡的数据读写 和存储 ,它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成. 而 RFID 卡则是一种无源的应答器 ,主要是由一块集 成电路 ( IC) 芯片及其外接天线组成 ,其中 RFID 芯片 通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路[2 ] ,有 的甚至将天线一起集成在同一芯片上[ 3 ] . RFID 应用系统的基本工作原理是 RFID 卡进入 读写器的射频场后 ,由其天线获得的感应电流经升压 电路作为芯片的电源 ,同时将带信息的感应电流通过 射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信 息处理 ;所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑 控制电路送回射频前端电路 ,最后通过天线发回给读 写器. 可见 ,RFID 卡与读写器实现数据通讯过程中起 关键的作用是天线. 一方面 ,无源的 RFID 卡芯片要启 动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场 中获得足够的能量 ;另一方面 ,天线决定了 RFID 卡与 读写器之间的通讯信道和通讯方式. 目前 RFID 已经得到了广泛应用 ,且有国际标准 : ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等几种. 这 些标准除规定了通讯数据帧 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 外 ,还着重对工作距 离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格 进行了规范. RFID 应用系统的标准制定决定了 RFID 天线的选择 ,下面将分别介绍已广泛应用的各种类型 的 RFID 天线及其性能. 　　图 1 　射频识别系统原理图 　　Fig. 1 　Structure of RFID system 　　图 2 　应答器等效电路图 　　Fig. 2 　Equivalent circuit diagram of responder 2 　RFID 天线类型 RFID 主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型 3 种 基本形式的天线. 其中 ,小于 1 m 的近距离应用系统的 RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线 , 它们主要工作在中低频段. 而 1 m 以上远距离的应用 系统需要采用微带贴片型或偶极子型的 RFID 天线 , 它们工作在高频及微波频段. 这几种类型天线的工作 原理是不相同的. 2 . 1 　线圈天线 当 RFID 的线圈天线进入读写器产生的交变磁场 中 ,RFID 天线与读写器天线之间的相互作用就类似 于变压器 ,两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次 级线圈. 由 RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图 2 所示 ,它包括 RFID 天线的线圈电感 L 、寄生电容 Cp 和并联电容 C2′,其谐振频率为 : f = 1 2π L ·C , (式中 C为 C p 和 C2′的并联等效电容) . RFID 应用系统就是 通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的 ID2 1 型非接触式 IC 卡的外观为一小型的塑料卡 (85. 72 mm ×54. 03 mm ×0. 76 mm) ,天线线圈谐振工作频率 通常为 13. 56 M Hz. 目前已研发出面积最小为 0. 4 mm ×0. 4 mm 线圈天线[3 ]的短距离 RFID 应用系统. 某些应用要求 RFID 天线线圈外形很小 ,且需一 定的工作距离 ,如用于动物识别的 RFID. 线圈外形即 面积小的话 ,RFID 与读写器间的天线线圈互感量 M 就明显不能满足实际使用. 通常在 RFID 的天线线圈 内部插入具有高导磁率μ的铁氧体材料 ,以增大互感 量 ,从而补偿线圈横截面减小的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 2 . 2 　微带贴片天线 微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片 上的辐射贴片导体所构成的[ 4 ] ,如图 3 所示. 根据天线 辐射特性的需要 ,可以设计贴片导体为各种形状. 通常 贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波 长 ,假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有 变化 ,仅沿约为半波长 (λg/ 2)的导体长度方向变化. 则 微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的 　　图 3 　微带天线 　　Fig. 3 　Microst rip antenna 边缘场引起的 ,辐射方向基本确定 ,因此 ,一般适用于 通讯方向变化不大的 RFID 应用系统中. 为了提高天 线的性能并考虑其通讯方向性问题 ,人们还提出了各 种不同的微带缝隙天线 ,如文献[ 5 ,6 ]设计了一种工作 在 24 GHz 的单缝隙天线和 5. 9 GHz 的双缝隙天线 , 其辐射波为线极化波 ;文献[7 ,8 ]开发了一种圆极化缝 隙耦合贴片天线 ,它是可以采用左旋圆极化和右旋圆 极化来对二进制数据中的‘1’和‘0’进行编码. 　图 4 　偶极子天线 (a) 偶极子天线 ; (b) 折合振子天线 ; (c) 变形偶极子天线 　Fig. 4 　Dipole antenna 2 . 3 　偶极子天线 在远距离耦合的 RFID 应用系统中 ,最常用的是 偶极子天线 (又称对称振子天线) [9 ] . 偶极子天线及其 演化形式如图 4 所示 ,其中偶极子天线由两段同样粗 细和等长的直导线排成一条直线构成 ,信号从中间的 两个端点馈入 ,在偶极子的两臂上将产生一定的电流 分布 ,这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场. 利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程 : Eθ = ∫l- l d Eθ = ∫l- l 60αI z r sinθcos (αz cosθ) d z 式中 I z 为沿振子臂分布的电流 ,α为相位常数 , r 是振 子中点到观察点的距离 ,θ为振子轴到 r 的夹角 ,l 为 单个振子臂的长度. 同样 ,也可以得到天线的输入阻 抗、输入回波损耗 S11 、阻抗带宽和天线增益等等特性 参数[9 ] . 当单个振子臂的长度 l =λ/ 4 时 (半波振子) ,输入 阻抗的电抗分量为零 ,天线输入阻抗可视为一个纯电 阻. 在忽略天线粗细的横向影响下 ,简单的偶极子天线 设计可以取振子的长度 l 为λ/ 4 的整数倍 ,如工作频 ·313·增刊 　　　　　　　　　　 　　　　　　　陈华君等 :RFID 技术原理及其射频天线设计 　　　　　　　(a) 　 　　　　　　　　　(b) 　图 5 　偶极子天线 (a) 回波损耗 S11 ; (b) 辐射方向图 　Fig. 5 　Dipole antenna 率为 2. 45 GHz 的半波偶极子天线 ,其长度约为 6 cm. 当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时 ,可采用图 42b 的折合振子. 3 　RFID 射频天线的设计 从 RFID 技术原理和 RFID 天线类型介绍上看 , RFID 具体应用的关键在于 RFID 天线的特点和性能. 目前线圈型天线的实现技术很成熟 ,虽然都已广泛地 应用在如身份识别、货物标签等 RFID 应用系统中 ,但 是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不 确定的 RFID 应用场合 ,采用线圈型天线则难以设计 实现相应的性能指标. 同样 ,如果采用微带贴片天线的 话 ,由于实现工艺较复杂 ,成本较高 ,一时还无法被低 成本的 RFID 应用系统所选择. 偶极子天线具有辐射 能力较强、制造简单和成本低等优点 ,且可以设计成适 用于全方向通讯的 RFID 应用系统 ,因此 ,下面我们来 具体设计一个工作于 2. 45 GHz (国际工业医疗研究自 由频段)的 RFID 偶极子天线. 半波偶极子天线模型如图 42a 所示. 天线采用铜 材料 (电导率 :5. 8e7 s/ m ,磁导率 :1) ,位于充满空气的 立方体中心. 在立方体外表面设定辐射吸收边界. 输入 信号由天线中心处馈入 ,也就是 RFID 芯片的所在位 置. 对于 2. 45 GHz 的工作频率其半波长度约为 61 mm ,设偶极子天线臂宽 w 为 1 mm ,且无限薄 ,由于天 线臂宽的影响 ,要求实际的半波偶极子天线长度为 57 mm. 在 Ansof t HFSS 工具平台上 , 采用有限元算 法[10 ]对该天线进行仿真 ,获得的输入回波损耗 S11 分 布图如图 52a 所示 ,辐射场 E 面 (即最大辐射方向和电 场矢量所在的平面) 方向图如图 52b 所示. 天线输入阻 抗约为 72Ω ,电压驻波比 (VSWR) 小于 2. 0 时的阻抗 带宽为 14. 3 % ,天线增益为 1. 8. 从图 52b 可以看到在天线轴方向上 ,天线几乎无 辐射. 如果此时读写器处于该方向上 ,应答器将不会做 　　　　　　　(a) 　　　　　　 　　　　(b) 　图 6 　变形偶极子天线 (a) 回波损耗 S11 ; (b) 辐射方向图 　Fig. 6 　Changed dipole antenna 出任何反应. 为了获得全方位辐射的天线以克服该缺 点 ,可以对天线做适当的变形 ,如在将偶极子天线臂末 端垂直方向上延长λ/ 4 成图 42c 所示. 这样天线总长 度修改为 (57. 0 mm + 2 ×28. 5 mm) ,天线臂宽仍然为 1 mm. 天线臂延长λ/ 4 后 ,整个天线谐振于 1 个波长 , 而非原来的半个波长. 这就使得天线的输入阻抗大大 地增加 ,仿真计算结果约为 2 kΩ. 其输入回波损耗 S11 如图 62a 所示. 图 62b 为 E 面 (天线平面) 上的辐射场 方向图 ,其中实线为仿真结果 ,黑点为实际样品测量数 据 ,两者结果较为吻合说明了该设计是正确的. 从图 62 b 可以看到在原来弱辐射的方向上得到了很大的改 善 ,其辐射已经近似为全方向的了. 电压驻波比 (VSWR) 小于 2. 0 时的阻抗带宽为 12. 2 % ,增益为 1. 4 ,对于大部分 RFID 应用系统 ,该偶极子天线可以 满足要求. 4 　结束语 总之 ,RFID 的实际应用关键在于天线设计上 ,特 别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说 ,要求 RFID 能够实现全方向的无线数据通讯 ,且还要价格 低廉、体积小. 因此 ,我们所设计的上述这种全向型偶 极子天线的结构简单、易于批量加工制造 ,是可以满足 实际需要的. 通过对设计出来实际样品的进行参数测 试 ,测试结果与我们的设计预期结果是一致. 参考文献 : [1 ] 　苏雪莲. IC 卡的国内外发展现状 [J ] . 微电子技术 ,1997 , (2) :1 - 9. [2 ] 　Friedman D , Heinrich H ,Duan D W. A low2power CMOS integrated circuit for field2powered radio f requency identi2 fication tags [ A ] . Solid2State Circuit s Conference [ C ] . 1997. 294 - 295 ,474. [3 ] 　Usami M. An ult ra small RFID chip : u2chip [ A ] . Radio ·413· 厦门大学学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　2005 年 Frequency Integrated Circuit s ( RFIC) Symposium [ C ] . 2004. 241 - 244. [4 ] 　[美 ]鲍尔 I J ,布哈蒂亚 P ,著. 微带天线 [ M ] . 梁联倬 ,寇 廷耀 ,译. 北京 :电子工业出版社 ,1984. [5 ] 　Padhi S K , Karmakar N C ,Law C L ,et al. Microst rip2fed slot antenna for millimetre2wave RFID system[ A ] . Micro2 wave Conference ,Asia2Pacific[ C] . 2000. 1 396 - 1 399. [6 ] 　Padhi S K , Karmakar N C ,Law C L ,et al. A dual polar2 ized aperture coupled microst rip patch antenna with high isolation for RFID applications [J ] . Antennas and Propa2 gation Society ,2001 ,2 :2 - 5. [7 ] 　Kossel M ,Benedickter H ,Baechtold W. Circular polarized aperture coupled patch antennas for an RFID system in the 2. 4 GHz ISM band [ A ] . Radio and Wireless Confer2 ence. RAWCON 99[ C] . 1999. 235 - 238. [8 ] 　Kossel M ,Benedickter H ,Baechtold W. An active tagging system using circular polarization modulation [J ] . Micro2 wave Symposium Digest ,1999 ,4 :1 595 - 1 598. [9 ] 　朱崇灿 ,黄景熙 ,鲁述 ,编. 天线 [ M ] . 武汉 :武汉大学出版 社 ,1996. 10. [10 ] 　杜平安 ,甘娥忠 ,于亚婷. 有限元法 :原理、建模及应用 [ M ] . 北京 :国防工业出版社 ,2004. Principle of RF Antenna and Design for RFID C H EN Hua2jun1 ,L IN Fan2 , GUO Dong2hui1 ,2 ,3 3 ,WU Sun2tao2 (1. Dept . of Phys. ,Xiamen University , 2. Dept . of MEMS Center ,Xiamen University , 3. Dept . of Elect r. Eng. ,Xiamen University ,Xiamen 361005 ,China) Abstract : Antenna is the key part of the RFID ( Radio Frequency IDentification) system. This paper int roduces the principle of RFID system and it s antennae ,and designs an omni antenna for RFID system to improve the shortage of radiation pattern of t radition2 al dipole antenna used in RFID system. The result s of both simulation and measurement are identical. Key words : RFID ;RF Antenna ;elect ronic tag ·513·增刊 　　　　　　　　　　 　　　　　　　陈华君等 :RFID 技术原理及其射频天线设计