通信論文發(fā)表期刊推薦國(guó)家級(jí)期刊《中國(guó)新通信》，《中國(guó)新通信》雜志是由工業(yè)和信息化部主管，電子工業(yè)出版社主辦，《中國(guó)新通信》雜志社編輯出版的信息通信技術(shù)專業(yè)期刊，原《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》（月刊）。自 1999年創(chuàng)刊以來(lái)，受到了廣大讀者和作者的關(guān)心和支持，2005年被科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)評(píng)為優(yōu)秀期刊，于2006年1月改名為《中國(guó)新通信》。

　　摘要：RFID(RadioFrequencyIdentification，射頻識(shí)別技術(shù))是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。本文主要分析總結(jié)了RFID技術(shù)的原理，RFID天線設(shè)計(jì)主要考慮物理參量，最后指出了RRFID標(biāo)簽及讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：RFID,原理,類型,設(shè)計(jì)

　　1.RFID技術(shù)原理

　　RFID（radiofrequencyidentification）是利用無(wú)線電波進(jìn)行通信的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。基本原理是通過(guò)讀頭和黏附在物體上的標(biāo)簽之間的電磁耦合或電感耦合進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到對(duì)標(biāo)簽物品的自動(dòng)識(shí)別。通常情況下，RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器和RFID卡兩部分組成的。其中，讀寫(xiě)器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而RFID卡則是一種無(wú)源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線組成，其中RFID芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。

　　RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過(guò)射頻前端電路檢得數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過(guò)天線發(fā)回給讀寫(xiě)器。可見(jiàn)，RFID卡與讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中起關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無(wú)源的RFID卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過(guò)天線在讀寫(xiě)器天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了RFID卡與讀寫(xiě)器之間的通訊信道和通訊方式。

　　2.實(shí)際RFID天線設(shè)計(jì)主要考慮物理參量

　　2.1磁場(chǎng)強(qiáng)度。運(yùn)動(dòng)的電荷或者說(shuō)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小用磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)表示。RFID天線的作用距離，與天線線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)。

　　圓形線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度(在近場(chǎng)耦合有效的前提下，近場(chǎng)耦合有效與否的判斷在1．3節(jié))可用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

　　式中：H是磁場(chǎng)強(qiáng)度；I是電流強(qiáng)度；N為匝數(shù)；R為天線半徑；x為作用距離。

　　對(duì)于邊長(zhǎng)ab的矩形導(dǎo)體回路，在距離為x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線可用下式計(jì)算。

　　結(jié)果證實(shí)：在與天線線圈距離很小(xR)處呈現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮這種效應(yīng)，如圖1所示。

　　2.2最佳天線直徑。在與發(fā)射天線的距離x為常數(shù)并簡(jiǎn)單地假定發(fā)射天線線圈中電流I不變的情況下，如果改變發(fā)送天線的半徑R時(shí)，就可以根據(jù)距離x與天線半徑R之間的關(guān)系得到最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。這意味著：對(duì)于每種射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過(guò)大，那么在與發(fā)射天線的距離x=0處，磁場(chǎng)強(qiáng)度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場(chǎng)強(qiáng)度則以z的三次方的比例衰減，如圖2所示。

　　不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線最大值。

　　從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，也即對(duì)R求導(dǎo)，如式(3)所示：

　　從公式的零點(diǎn)中計(jì)算是拐點(diǎn)以及函數(shù)的最大值。

　　發(fā)射天線的最佳半徑對(duì)應(yīng)于最大期望閱讀器的2孺值。第二個(gè)零點(diǎn)的負(fù)號(hào)表示導(dǎo)電路的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x軸的兩個(gè)方向傳播。這里需要指出的是，使用此式的前提條件，是近場(chǎng)耦合有效。下面簡(jiǎn)介近場(chǎng)耦合的概念。

　　2.3近場(chǎng)耦合。真正使用前面所提到的公式時(shí)，有效的邊界條件為：d《R以及x<λ／2π，原因是當(dāng)超出上述范圍時(shí)，近場(chǎng)耦合便失去作用了，開(kāi)始過(guò)渡到遠(yuǎn)距離的電磁場(chǎng)。一個(gè)導(dǎo)體回路上的初始磁場(chǎng)是從天線上開(kāi)始的。在磁場(chǎng)的傳輸過(guò)程中，由于感應(yīng)的增加也形成電場(chǎng)。這樣，最原始的純磁場(chǎng)就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成了電磁場(chǎng)。當(dāng)距離大于λ／2π的時(shí)候，電磁場(chǎng)最終擺脫天線，并作為電磁波進(jìn)入空間。在作為電磁波進(jìn)入空間之前的這個(gè)范圍，就叫做天線的近場(chǎng)，本文所涉及的RFID天線設(shè)計(jì)，是基于近場(chǎng)耦合的概念。所以距離應(yīng)當(dāng)限定在上述的范圍之內(nèi)。

　　2.4調(diào)諧。RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器可以等效為一個(gè)R-L-C串聯(lián)電路，其中R為繞線線圈的電阻，L為天線自身的電感。一般調(diào)諧過(guò)程當(dāng)中，由于天線線圈本身的電容對(duì)于諧振的影響很小，可以忽略不計(jì)，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個(gè)電容C，完成對(duì)天線的調(diào)諧，達(dá)到這一目的。而調(diào)諧電容，天線的電感以及工作頻率之間的關(guān)系，可以通過(guò)以下湯姆遜公式求得，即：

　　2.5電感的估算。電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)體回路包圍的電流強(qiáng)度之比。實(shí)際RFID天線調(diào)試的時(shí)候，讀寫(xiě)器天線電感量值可以通過(guò)阻抗分析儀測(cè)出，在條件有限的情況下，也常采用估算公式進(jìn)行估算。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小(d／D<0．001)，則導(dǎo)體回路的電感可簡(jiǎn)單地近似為：

　　式中：N為繞線天線的匝數(shù)；R為天線線圈的半徑；d為導(dǎo)體的內(nèi)徑；μ0為自由空間磁導(dǎo)率。

　　線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進(jìn)行估算，在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)公式可以進(jìn)行對(duì)照使用：

　　式中：L為線圈電感，單位為nH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導(dǎo)線直徑，單位為cm。

　　2.6天線的品質(zhì)因數(shù)。天線的性能還與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過(guò)高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大，但是同時(shí)，讀寫(xiě)器的通帶特性也會(huì)受到影響。所以在實(shí)際調(diào)節(jié)Q值的時(shí)候，要進(jìn)行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值，是通過(guò)在R-L-C等效電路上面串接一個(gè)電阻R1實(shí)現(xiàn)的，具體的公式如下：Q=ωL／(R+R1)(8)

　　3．RFID標(biāo)簽及讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

　　RFID系統(tǒng)天線一般分為電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)和讀寫(xiě)器天線兩大類。不同工作頻段的RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)。對(duì)于LF和HF頻段，系統(tǒng)采用電感耦合方式工作，電子標(biāo)簽所需的工作能量通過(guò)電感耦合方式由讀寫(xiě)器的耦合線圈輻射近場(chǎng)獲得，一般為無(wú)源系統(tǒng)，工作距離較小，不大于1米。在讀寫(xiě)器的近場(chǎng)實(shí)際上不涉及電磁波傳播的問(wèn)題，天線設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。而對(duì)于UHF和微波頻段，電子標(biāo)簽工作時(shí)一般位于讀寫(xiě)器天線的遠(yuǎn)場(chǎng)，工作距離較遠(yuǎn)。讀寫(xiě)器的天線為電子標(biāo)簽提供工作能量或喚醒有源電子標(biāo)簽，UHF頻段多為無(wú)源被動(dòng)工作系統(tǒng)，微波頻段（2.45GHz和5.8GHz）則以半主動(dòng)工作方式為主。天線設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。對(duì)于UHF和微波頻段電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)，主要問(wèn)題有：

　　3.1天線的輸入匹配。UHF和微波頻段電子標(biāo)簽天線一般采用微帶天線形式。在傳統(tǒng)的微帶天線設(shè)計(jì)中，我們可以通過(guò)控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，或者使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配，天線匹配越好，天線輻射性能越好。但由于受到成本的影響，電子標(biāo)簽天線一般只能直接與標(biāo)簽芯片相連。芯片阻抗很多時(shí)候呈現(xiàn)強(qiáng)感弱阻的特性，而且很難測(cè)量芯片工作狀態(tài)下的準(zhǔn)確阻抗特性數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)電子標(biāo)簽天線時(shí)，使天線輸入阻抗與芯片阻抗相匹配有一定的難度。在保持天線性能的同時(shí)又要使天線與芯片相匹配。這是電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的一個(gè)主要難點(diǎn)。

　　3.2天線方向圖。電子標(biāo)簽，理論上希望它在各個(gè)方向都可以接收到讀寫(xiě)器的能量，所以一般要求標(biāo)簽天線具有全向或半球覆蓋的方向性，而且要求天線為圓極化。

　　3.3天線尺寸對(duì)其性能的影響。由于電子標(biāo)簽天線尺寸極小，其輸入阻抗，方向圖等特性容易受到加工精度，介質(zhì)板純度的影響。在嚴(yán)格控制尺寸的同時(shí)又要求天線具有相當(dāng)?shù)脑鲆妫�增益越大，電子�?biāo)簽的工作距離越大。現(xiàn)時(shí)實(shí)際應(yīng)用中的電子標(biāo)簽天線基本采用貼片天線設(shè)計(jì)，主要形式有微帶天線，折線天線等。最近幾年，電子標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)一直是RFID系統(tǒng)中的熱點(diǎn)。標(biāo)簽天線研究的重點(diǎn)有如何實(shí)現(xiàn)寬頻特性，阻抗匹配，還有文章涉及天線底板對(duì)標(biāo)簽性能的影響。

　　讀寫(xiě)器天線一般要求使用定向天線，可以分為合裝和分裝兩類。合裝是指天線與芯片集成在一起，分裝則是天線與芯片通過(guò)同軸線相連，一般而言，讀寫(xiě)器天線設(shè)計(jì)要求比標(biāo)簽天線要低。最近一段時(shí)間，開(kāi)始有研究在讀寫(xiě)器天線上應(yīng)用智能天線技術(shù)控制天線主波束的指向，增大讀寫(xiě)器所能涵蓋的區(qū)域。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　總之，RFID的實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計(jì)上，特別是對(duì)于具有非常大市場(chǎng)容量的商品標(biāo)簽來(lái)說(shuō)，要求RFID能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊，且還要價(jià)格低廉、體積小。因此，我們所設(shè)計(jì)的上述這種全向型偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于批量加工制造，是可以滿足實(shí)際需要的。本文對(duì)于各種RFID的天線設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義。