2022年RFID技术原理及其射频天线设计.docx

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1、个人收集整理仅供参考学习RFID 技术原理及其射频天线设计近年来人们开头开发应用非接触式IC 卡来逐步替代接触式IC卡, 其中射频 识别 RFID , radiofrequencyidentification卡就是一种典型的非接触式IC 卡，然而 ,RFID在不同的应用环境中需要采纳不同天线 通讯技术来实现数据交换的.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 卡有其自身不行防止的缺点 , 即接触点对腐蚀和污染缺乏抗击才能, 大大降低了 IC 卡的使用寿命和使用范

2、畴 .近年来人们开头开发应用非接触式IC卡来逐步替代接触式IC 卡, 其中射频识别RFID , radio frequencyidentification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.这里我们将第一通过介绍RFID 应用系 个人收集整理 勿做商业用途统的基本工作原理来详细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

3、设计原理 , 最终介绍利用 Ansoft HFSS 工具来设计了一种全向的 RFID 天线. 个人收集整理 勿做商业用途1 RFID 技术原理通常情形下 , 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, 读写器一般作为运算机终端, 用来实现对 RFID 卡的数据读写和储备 , 它是由掌握单元、高频通讯模块和天线组成. 而 RFID 卡就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、规律掌握、储备器等电路, 有的甚至将天线一起集成在同一芯片上. 个人收集整理勿做商业用途8 / 6图 1射

4、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规律掌握电路进行信息处理; 所需回复的信息就从储备器中猎取经由规律掌握电路送回射频前端电路 , 最终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 , 天线打算了 RFID 卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式 . 个人收集整理勿做商业用途目前 RFID

5、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, 仍着重对工作距离、 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打算了RFID 天线的挑选 , 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 . 个人收集整理勿做商业用途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 天线一般采纳工艺简洁、成本低的线圈型天线, 它们主要工作在中低频段

6、.而 1 m 以上远距离的应用系统需要采纳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. 个人收集整理勿做商业用途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 :个人收集整理 勿做商业用途, 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

7、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 . 个人收集整理勿做商业用途图 2应答器等效电路图某些应用要求 RFID 天线线圈外形很小, 且需肯定的工作距离 , 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就明显不能满意实际使用. 通常在 RFID 的天线线圈内部插入具有高导磁率的铁氧体材料 , 以增大互感量 , 从而补偿 线圈横截面减小的

8、问题. 个人收集整理勿做商业用途2.2 微带贴片 天线 个人收集整理 勿做商业用途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 .依据天线辐射特性的需要, 可以设计贴片导体为各种外形.通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几特别之一波长, 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 g/ 2的导体长度方向变化 .就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, 人们仍提出了各种不同的微带缝隙天

9、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, 它是可以采纳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 . 个人收集整理勿做商业用途图 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, 在偶极子的两臂上个人收集整理 勿做商业用途将产生肯定的电流分布, 这种电流分布就在

10、天线四周空间激发起电磁场. 利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程:个人收集整理勿做商业用途式中 Iz为沿振子臂分布的电流, 为相位常数 , r是振子中点到观看点的距离, 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. 个人收集整理 勿做商业用途图 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 = / 4时 半波振子 ,输入阻抗的电抗重量为零, 天线输入阻抗可视为一个纯电阻 .在忽视天线粗细的横向影响下, 简洁的偶极子天线设计可以取振子的长度 l为 / 4

11、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, 可采纳图 4b 的折合振子 . 个人收集整理勿做商业用途3 RFID 射频天线的设计 个人收集整理 勿做商业用途从 RFID 技术原理和 RFID 天线类型介绍上看,RFID详细应用的关键在于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 , 采纳线圈型天线就难以设计实现相应的性能指标.同样 , 假如采纳微带

12、贴片天线的话 , 由于实现工艺较复杂 , 成本较高 , 一时仍无法被低成本的RFID 应用系统所挑选 .偶极子天线具有辐射才能较强、制造简洁和成本低等优点, 且可以设计成适用于全方向通讯的RFID 应用系统 , 因此 , 下面我们来详细设计一个工作于2. 45 GHz 国际工业医疗讨论自由 频段 的 RFID 偶极子天线 . 个人收集整理勿做商业用途半波偶极子天线模型如图4a 所示 .天线采纳铜材料 电导率 :5.8e7s/ m , 磁导率 :1, 位于布满空气的立方体中心.在立方体外表面设定辐射吸取边界.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 G

13、Hz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 AnsoftHFSS 工具平台上 ,采纳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 , 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. 个人收集整理勿做商业用途图 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

14、几乎无辐射 .假如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 / 4成图 4c 所示.这样天线总长度修改为 57. 0 mm + 2 28. 5 mm ,天线臂宽仍旧为 1 mm. 天线臂延长 / 4后, 整个天线谐振于 1 个波长 , 而非原先的半个波长 .这就使得天线的输入阻抗大大地增加, 仿真运算结果约为 2 k .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

15、说明白该设计是正确的 .从图 6b 可以看到在原先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意要求.个人收集整理勿做商业用途图 6变形偶极子 天线 个人收集整理 勿做商业用途a回波损耗 S11 ; b辐射方向图4终止语总之 , RFID 的实际应用关键在于天线设计上签来说 , 要求 RFID 能够实现全方向的无线数据通讯, 特殊是对于具有特别大市场容量的商品标, 且仍要价格低廉、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洁、易于批量加工制造, 是可以满意实际需要的.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样. 个人收集整理 勿做商业用途