射頻識(shí)別RFID天線介紹 |
| 發(fā)布時(shí)間: 2020-11-26 16:28:04 | |
1.射頻識(shí)別天線類型RFID天線是用電磁波接收或發(fā)射前端無線信號(hào)功率的設(shè)備,是電路和空間的接口設(shè)備,用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波和自由空間波能量轉(zhuǎn)化。在RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)中,天線分為電子標(biāo)簽天線和閱讀器天線,分別起到接收能量和釋放能量的作用。目前的RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)主要集中在低頻LF、高頻HF(13.56MHz)、超高頻UHF(860-960MHz)和微波波段,根據(jù)工作波段的不同,射頻識(shí)別系統(tǒng)天線的原理和設(shè)計(jì)有根本的不同。射頻識(shí)別天線的增益和阻抗特性影響RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作距離等,RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻段對(duì)天線大小和輻射損失有要求。因此,RFID射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的成功與否。
1.1近場(chǎng)射頻識(shí)別RFID天線對(duì)于LF和HF頻段,系統(tǒng)在天線的近場(chǎng)工作,RFID電子標(biāo)簽所需的能量全部通過電感耦合從閱讀器的耦合線圈輻射近場(chǎng)獲得,工作方式是電感耦合。電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)距離的3次方衰減,磁場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)距離的2次方衰減,電磁場(chǎng)元件相位差為90,光子向量為虛數(shù),能量不向外輻射,只在天線表面附近交換電能和磁能。近距離領(lǐng)域?qū)嶋H上沒有電磁波傳播的問題,所以天線設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的線圈天線。線圈天線本質(zhì)上是諧振電路。在指定的工作頻率下,當(dāng)感應(yīng)阻抗等于電容器阻抗時(shí),線圈天線會(huì)產(chǎn)生共振。諧振電路的諧振頻率為:(L是天線的線圈電感,C是天線的線圈電容)。HF段RFID無線電識(shí)別線圈天線諧振工作頻率通常為13.56MHz。RFID射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)通過該頻率載體實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。在某些應(yīng)用環(huán)境中,RFID射頻識(shí)別線圈天線形狀小,需要工作距離,因此線圈天線的相互電感只能減少。為了解決這個(gè)問題,我們通常在線圈內(nèi)部插入具有高電導(dǎo)率的鐵氧體材料,以增加互感,補(bǔ)償線圈橫截面減少的問題。近距離天線的工作方式與我們熟悉的變壓器原理完全相似,理論比較簡(jiǎn)單。 1.2遠(yuǎn)距離天線接下來,我將集中討論遠(yuǎn)距離天線的理論分析和結(jié)構(gòu)。對(duì)于超高頻和微波波段,閱讀器天線用于為RFID電子標(biāo)簽提供能量或喚醒活動(dòng)RFID電子標(biāo)簽,它們相距很遠(yuǎn),通常位于閱讀器天線的較遠(yuǎn)位置。電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)距離的一側(cè)衰減,電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向相互垂直,與傳播方向垂直。博因汀矢量是實(shí)數(shù),電磁場(chǎng)以電磁波的形式釋放能量。此時(shí)天線設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響,常用偶極或微帶貼片天線。下面將分別詳細(xì)分析。
偶極天線,也稱為對(duì)稱擺天線,由兩條厚度相同、長(zhǎng)度相同的直線導(dǎo)體排成一條直線。中間兩端提供信號(hào),在偶極的雙臂上產(chǎn)生一定的電流分布。這種電流分布會(huì)在天線周圍的空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)。一般用于RFID無線識(shí)別電子RFID電子標(biāo)簽的是曲折型偶極天線。 IZ是沿?cái)[錘臂分布的電流,是相位常數(shù),R是擺錘中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離,是擺錘軸到R的角度,L是單擺臂的長(zhǎng)度。通過ADS、HFSS等高頻軟件仿真,可以獲得天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等特性參數(shù)。天線輸入阻抗可以被認(rèn)為是純電阻。例如,如果用N條導(dǎo)線折疊偶極,則假定所有導(dǎo)線的電路相同,供應(yīng)端阻抗為70N2。無視天線厚度橫向影響的簡(jiǎn)單偶極天線設(shè)計(jì)可以將鐘擺長(zhǎng)度L為/4的整數(shù)倍。偶極天線需要更大的輸入阻抗時(shí),可以使用折疊偶極天線。 1.2.2微帶貼片天線 微帶貼片天線質(zhì)量輕,體積小,單面薄,饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以與天線同時(shí)制作,與通信系統(tǒng)的印刷電路集成,貼片可以使用光刻工藝制造,成本低,便于批量生產(chǎn)。微帶貼片天線由于供應(yīng)方式和極化方式的多樣化和饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成等特點(diǎn),成為印刷天線類的主角。 一般來說,微帶貼片天線的輻射導(dǎo)體和金屬地面距離為數(shù)十分之一波長(zhǎng)。假設(shè)輻射電場(chǎng)不沿著導(dǎo)體的側(cè)面和縱向變化,而只沿著約半波長(zhǎng)的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化。微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開放邊緣的邊緣場(chǎng)產(chǎn)生的,方向基本上是確定的。因此,微帶貼片天線適用于通信方向變化不大的RFID射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)。
2.RFID射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)要點(diǎn)RFID射頻識(shí)別天線結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素對(duì)天線性能有很大影響。天線的結(jié)構(gòu)決定天線模式、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所附加物體的形狀和物理特性的影響。例如,磁場(chǎng)不能穿透金屬等導(dǎo)磁性材料,金屬物附近的磁力線形狀可能會(huì)發(fā)生變化,也是因?yàn)榇艌?chǎng)會(huì)在金屬表面引起漩渦。根據(jù)倫茨定律,漩渦會(huì)產(chǎn)生抵抗激勵(lì)的磁通量,大大降低金屬表面的磁通量。超高頻閱讀器天線產(chǎn)生的能量被金屬吸收,讀寫距離大大減少。另外,液體對(duì)電磁信號(hào)有吸收作用,彈性基層產(chǎn)生RFID電子標(biāo)簽和天線變形,寬帶信號(hào)源(例如發(fā)動(dòng)機(jī)、泵、發(fā)電機(jī))產(chǎn)生電磁干擾等。這是我們?cè)O(shè)計(jì)天線時(shí)要仔細(xì)考慮的部分。目前,研究領(lǐng)域根據(jù)天線的上述特性提出了多種解決方案。例如,用曲折天線解決大小限制,用反向F型天線解決金屬表面的反射問題等。天線的目標(biāo)是將最大能量傳輸?shù)诫娐穬?nèi)外。這就需要仔細(xì)設(shè)計(jì)天線與自由空間和電路的匹配,天線匹配程度越高,天線的輻射性能就越高。當(dāng)工作頻率增加到UHF區(qū)域時(shí),天線和RFID電子標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)重。在傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中,可以控制天線大小和結(jié)構(gòu),使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器將輸入阻抗與饋線匹配。一般天線開發(fā)基于50或75ohm阻抗,RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)中芯片的輸入阻抗可以是任意值,在工作狀態(tài)下很難準(zhǔn)確測(cè)試,天線設(shè)計(jì)也很難優(yōu)化。 對(duì)于近距離RFID射頻識(shí)別應(yīng)用,天線通常與讀者集成。比較一般的東西,如UR5002閱讀器,對(duì)于遠(yuǎn)距離RFID射頻識(shí)別系統(tǒng),閱讀器天線和閱讀器通常使用單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。比較一般的東西,如UR6258閱讀器,阻抗通過匹配的同軸電纜連接。一般來說,定向天線的回聲損失較小,因此更適合RFID電子標(biāo)簽應(yīng)用。由于無法控制RFID電子標(biāo)簽放置方向,閱讀器天線通常采用圓形極化方式。RFID閱讀器天線需要低截面、小型化和多頻帶覆蓋。對(duì)于分離式閱讀器,還包括天線陣列的設(shè)計(jì)問題。國(guó)外已經(jīng)開始研究將智能波束掃描天線陣列應(yīng)用于閱讀器,讀者可以按照一定的處理順序打開“智能”,關(guān)閉其他天線,使系統(tǒng)能夠檢測(cè)到其他天線應(yīng)用區(qū)域的RFID電子標(biāo)簽,從而擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
3 .射頻識(shí)別RFID天線結(jié)論目前,RFID射頻識(shí)別射頻識(shí)別技術(shù)已發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域,融合了天線技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、高頻技術(shù)、電磁兼容性、數(shù)據(jù)保護(hù)和加密、無線通信技術(shù)、封裝制造技術(shù)等多種專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)。RFID自動(dòng)識(shí)別射頻識(shí)別技術(shù)可大大降低人工成本,提高工作準(zhǔn)確性,加快數(shù)據(jù)處理速度,有效跟蹤物流動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。RFID射頻識(shí)別天線設(shè)計(jì)技術(shù)是整個(gè)RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的攻擊技術(shù),需要更細(xì)致地考慮RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、工作頻率、阻抗匹配等影響。為RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的理想操作提供保證。 |
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