RFID 技术原理及其射频天线设计

　　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 . 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 frequency 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Ansoft 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 ,有的甚至将天线一起集成在同一芯片上 .
 
图1 　射频识别系统原理图
       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.

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: 
 
, (式中C 为Cp 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ID1 型非接触式IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm) ,天线线圈谐振工作频率通常为13.56 MHz. 目前已研发出面积最小为0.4mm ×0.4 mm 线圈天线的短距离RFID 应用系统.
 
图2 　应答器等效电路图

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.

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 ,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3 　微带天线

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) . 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:
 
式中Iz 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 .
 
　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
        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4b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4a 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61mm ,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57mm. 在Ansoft HFSS 工具平台上, 采用有限元算法对该天线进行仿真,获得的输入回波损耗S11 分布图如图5a 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5b 所示. 天线输入阻抗约为72 Ω ,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.
 
图5 　偶极子天线
(a) 回波损耗S11 ; (b) 辐射方向图
从图5b 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4c 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6a 所示. 图6b 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6b 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.
 
　图6 　变形偶极子天线
(a) 回波损耗S11 ; (b) 辐射方向图

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 field-powered radio frequency identification tags [ A ] . Solid2State Circuit s Conference [ C ] .1997. 294 - 295 ,474.
[3 ] 　Usami M. An ult ra small RFID chip : u-chip [ A ] . RadioFrequency 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. Microstrip-fed slot antenna for millimetrewave RFID system[A] . Micro2wave Conference ,Asia-Pacific[C] . 2000. 1 396 - 1 399.
[6 ] 　Padhi S K, Karmakar N C ,Law C L ,et al. A dual polarized aperture coupled microstrip patch antenna with high isolation for RFID applications [J ] . Antennas and Propagation 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 Conference. RAWCON 99[C] . 1999. 235 - 238.
[8 ] 　Kossel M ,Benedickter H ,Baechtold W. An active tagging system using circular polarization modulation [J ] . Microwave 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