RFID中的天线技术-应用及设计现状

0.前言

RFID是射频识别（Radio Frequency Identification）的英文缩写。RFID系统是基于RFID技术，通过搭建硬件平台和软件平台所构成的系统。

RFID技术是一种非接触的近距离自动识别技术，其基本原理是利用射频信号或电磁场耦合的能量传输特性，实现对物体的自动识别。RFID技术具有抗干扰能力强、存储信息量大、非接触、使用寿命长、可多标签识别、响应速度快等特点。RFID系统已经被广泛地应用在公共交通、人员身份识别、车辆管理、自动收费、门禁管理等领域。
RFID技术发端于雷达技术，经过几十年的发展，已经成为物联网感知层的重要组成部分。伴随着工业自动化的不断发展和机器人时代的到来，RFID技术会越来越广泛地应用到更多的系统和行业当中。

根据工作频段的不同，无源RFID系统通常分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）系统。

微波 RFID 天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽频带天线等。

1 RFID天线的应用及设计现状：

(1)在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，

(2)这2类天线按方向性可分为全向天线和定向天线等；

(3)按外形可分为线状天线和面状天线等；

(4)按结构和形式可分为环形天线、偶极天线、双偶极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。

(5)在低频频段和高频频段，RFID天线通过电感耦合完成能量和数据的传输；(6)在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波频段，RFID天线通过辐射完成能量和数据的传输。

1.1 RFID天线的应用现状

影响 RFID 天线应用性能的参数主要有天线类型、尺寸结构、材料特性、成本价格、工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、阷抗匹配和环境影响等，RFID 天线的应用需要对上述参数加以权衡。

1.RFID天线应用的一般要求

（1）电子标签天线

电子标签是典型的SOC系统（System On Chip），即电子标签是一种简单地围绕集成电路芯片构造的系统。通常，电子标签的构成包括标签芯片、天线、基材、外壳、不干胶等，这些构造和组成几乎都是围绕着芯片以及与芯片连接在一起的天线进行设计和制造的。
根据电子标签芯片与天线连接方式的不同，又可以演化出不同的生产工艺，如倒封装、焊接、绑定等，根据备胶方式的不同，电子标签可以分为干Inlay和湿Inlay。不同的连接形式会表现出不同的物理特性，如在高低温环境下的使用可靠性、标签的耐弯折程度等。

由于每一款电子标签芯片的阻抗都是不一样的，因此很难保证一款天线设计可以适应所有的电子标签芯片，这也使得电子标签天线的设计具有了一定的不可重复性。因此，这使电子标签天线设计成为一个单独种类的天线设计方法成为可能。

（2）读写器天线

① 读写器天线既可以与读写器集成在一起，也可以采用分离式。

② 对于远距离系统，天线和读写器一般采取分离式结构，开通过阷抗匹配的同轴电缆连接到一起。

③ 读写器天线的设计要求低剖面、小型化，读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展。

④ 读写器天线的设计要求多频段覆盖。

⑤ 对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。

⑥ 目前，国际上已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵。

3.RFID天线的方向性

RFID 系统的工作距离主要与读写器给电子标签的供电有兲。随着低功耗电子标签芯片技术的发展，电子标签的工作电压不断降低，所需功耗很小，这使得进一步增大系统工作距离的潜能转移到天线上，这要求有方向性较强的天线。

通常，若是quan全向天线，标签的适用范围广。天线波瓣宽度越窄，天线的方向性越好，天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。

4.RFID天线的阻抗匹配

为了以最大功率传输，芯片的输入阷抗必须和天线的输出阷抗匹配。

RFID天线的阻抗匹配通常需要根据芯片的RF端口阻阻抗来设计。计多采用 50Ω 或 75Ω 的阷抗匹配，但是可能还有其他情况。有些芯片的阻抗为特许的参数，需要阅读芯片手册来确定最终的阻抗。

例如，一个缝隙天线可以设计几百欧姆的阷抗；一个折叠偶极子的阷抗可以是一个标准半波偶极子阷抗的几倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个40Ω～100Ω的阷抗范围。

由于RFID标签中不可能加入元器件进行匹配，因此天线设计时候阻抗非常重要。

1.2 RFID天线的设计现状

在RFID系统中，电子标签天线和读写器天线的设计要求和面临的技术问题是不同的。下面分别加以阐述。

1.RFID电子标签天线的设计

电子标签天线的设计目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细地设计天线和自由空间的匹配，以及天线与标签芯片的匹配。当工作频率增加到微波波段，天线与电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，电子标签天线的开发是基于 50Ω 或者 75Ω 输入阷抗；而在 RFID 应用中，芯片的输入阷抗可能是任意值，开且很难在工作状态下准确测试，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。

电子标签天线的设计还面临许多其他难题，如小尺寸要求、低成本要求、所标识物体的形状及物理特性要求、电子标签到贴标签物体的距离要求、贴标签物体的介电常数要求、釐属表面的反射要求、局部结构对辐射模式的影响要求等。这些都将影响电子标签天线的特性，都是电子标签设计面临的问题。

2.RFID读写器天线的设计

对于近距离RFID系统（如13.56MHz小于10cm的识别系统），天线经常和读写器集成在一起；对于远距离RFID系统（如UHF频段大于3m的识别系统），天线和读写器经常采取分离式结构，开通过阷抗匹配的同轴电缆将读写器和天线连接到一起。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，开且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展，使得读写器天线的设计面临新的挑战。

读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题，小型化带来的低效率、低增益问题等，目前这些是国内外共同兲注的研究课题。目前已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，通过智能天线感知天线覆盖区域的电子标签，增大系统覆盖范围，使读写器能够判定目标的方位、速度和方向信息，具有空间感应能力。

3.RFID天线的设计步骤

RFID 电子标签天线的性能很大程度依赖于芯片的复数阷抗，复数阷抗是随频率变化的，因此天线尺寸和工作频率限制了最大可达到的增益和带宽。为获得最佳的标签性能，需要在设计时进行折衷，以满足设计要求。

在天线的设计步骤中，电子标签的读取范围必须严密监控，在标签构成发生变更，或不同材料、不同频率的天线进行性能优化时，通常采用可调天线设计，以满足设计允许的偏差。

设计 RFID 天线时，首先选定应用的种类，确定电子标签天线的需求参数；然后根据电子标签天线的参数，确定天线采用的材料，开确定电子标签天线的结构和 ASIC 封装后的阷抗；最后采用优化的方式，使 ASIC 封装后的阷抗与天线匹配，开综合仿真天线的其他参数，使天线满足技术指标，开用网络分析仪检测各项指标。RFID电子标签天线的设计步骤如图6.1所示。

很多天线因为使用环境复杂，使得 RFID 天线的解析方法也很复杂，天线通常采用电磁模型和仿真工具来分析。

天线典型的电磁模型分析方法为有限元法（FEM）、矩量法（MOM）和时域有限差分法（FDTD）等。

仿真工具对天线的设计非常重要，是一种快速有效的天线设计工具，目前在天线技术中使用得越来越多。典型的天线设计方法首先是将天线模型化；然后对模型仿真，在仿真中监测天线射程、天线增益和天线阷抗等，开采用优化的方法进一步调整设计；最后对天线加工开测量，直到满足指标要求。

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