射频识别RFID天线介绍

发布时间:2020-11-26 16:28:04

 1.射频识别天线类型

RFID天线是用电磁波接收或发射前端无线信号功率的设备,是电路和空间的接口设备,用于实现导波和自由空间波能量转化。在RFID射频识别系统中,天线分为电子标签天线和阅读器天线,分别起到接收能量和释放能量的作用。目前的RFID射频识别系统主要集中在低频LF、高频HF(13.56MHz)、超高频UHF(860-960MHz)和微波波段,根据工作波段的不同,射频识别系统天线的原理和设计有根本的不同。射频识别天线的增益和阻抗特性影响RFID自动识别系统的工作距离等,RFID射频识别系统的工作频段对天线大小和辐射损失有要求。因此,RFID射频识别天线设计的好坏关系到整个RFID自动识别系统的成功与否。

射频识别RFID天线介绍

1.1近场射频识别RFID天线

对于LF和HF频段,系统在天线的近场工作,RFID电子标签所需的能量全部通过电感耦合从阅读器的耦合线圈辐射近场获得,工作方式是电感耦合。电场强度根据距离的3次方衰减,磁场强度根据距离的2次方衰减,电磁场元件相位差为90,光子向量为虚数,能量不向外辐射,只在天线表面附近交换电能和磁能。近距离领域实际上没有电磁波传播的问题,所以天线设计比较简单,一般采用工艺简单、成本低廉的线圈天线。
线圈天线本质上是谐振电路。在指定的工作频率下,当感应阻抗等于电容器阻抗时,线圈天线会产生共振。谐振电路的谐振频率为:(L是天线的线圈电感,C是天线的线圈电容)。HF段RFID无线电识别线圈天线谐振工作频率通常为13.56MHz。RFID射频识别应用系统通过该频率载体实现双向数据通信。在某些应用环境中,RFID射频识别线圈天线形状小,需要工作距离,因此线圈天线的相互电感只能减少。为了解决这个问题,我们通常在线圈内部插入具有高电导率的铁氧体材料,以增加互感,补偿线圈横截面减少的问题。近距离天线的工作方式与我们熟悉的变压器原理完全相似,理论比较简单。

1.2远距离天线

接下来,我将集中讨论远距离天线的理论分析和结构。对于超高频和微波波段,阅读器天线用于为RFID电子标签提供能量或唤醒活动RFID电子标签,它们相距很远,通常位于阅读器天线的较远位置。电场强度和磁场强度根据距离的一侧衰减,电场和磁场方向相互垂直,与传播方向垂直。博因汀矢量是实数,电磁场以电磁波的形式释放能量。此时天线设计对系统性能有很大影响,常用偶极或微带贴片天线。下面将分别详细分析。

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1.2.1偶极天线
偶极天线,也称为对称摆天线,由两条厚度相同、长度相同的直线导体排成一条直线。中间两端提供信号,在偶极的双臂上产生一定的电流分布。这种电流分布会在天线周围的空间产生电磁场。一般用于RFID无线识别电子RFID电子标签的是曲折型偶极天线。
IZ是沿摆锤臂分布的电流,是相位常数,R是摆锤中点到观察点的距离,是摆锤轴到R的角度,L是单摆臂的长度。通过ADS、HFSS等高频软件仿真,可以获得天线的输入阻抗、输入回波损耗S11、阻抗带宽和天线增益等特性参数。天线输入阻抗可以被认为是纯电阻。例如,如果用N条导线折叠偶极,则假定所有导线的电路相同,供应端阻抗为70N2。无视天线厚度横向影响的简单偶极天线设计可以将钟摆长度L为/4的整数倍。偶极天线需要更大的输入阻抗时,可以使用折叠偶极天线。
1.2.2微带贴片天线
微带贴片天线质量轻,体积小,单面薄,馈线和匹配网络可以与天线同时制作,与通信系统的印刷电路集成,贴片可以使用光刻工艺制造,成本低,便于批量生产。微带贴片天线由于供应方式和极化方式的多样化和馈电网络、有源电路集成等特点,成为印刷天线类的主角。

一般来说,微带贴片天线的辐射导体和金属地面距离为数十分之一波长。假设辐射电场不沿着导体的侧面和纵向变化,而只沿着约半波长的导体长度方向变化。微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开放边缘的边缘场产生的,方向基本上是确定的。因此,微带贴片天线适用于通信方向变化不大的RFID射频识别应用系统。

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2.RFID射频识别天线设计要点

RFID射频识别天线结构及环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定天线模式、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。天线特性也受所附加物体的形状和物理特性的影响。例如,磁场不能穿透金属等导磁性材料,金属物附近的磁力线形状可能会发生变化,也是因为磁场会在金属表面引起漩涡。根据伦茨定律,漩涡会产生抵抗激励的磁通量,大大降低金属表面的磁通量。超高频阅读器天线产生的能量被金属吸收,读写距离大大减少。另外,液体对电磁信号有吸收作用,弹性基层产生RFID电子标签和天线变形,宽带信号源(例如发动机、泵、发电机)产生电磁干扰等。这是我们设计天线时要仔细考虑的部分。目前,研究领域根据天线的上述特性提出了多种解决方案。例如,用曲折天线解决大小限制,用反向F型天线解决金属表面的反射问题等。
天线的目标是将最大能量传输到电路内外。这就需要仔细设计天线与自由空间和电路的匹配,天线匹配程度越高,天线的辐射性能就越高。当工作频率增加到UHF区域时,天线和RFID电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严重。在传统的天线设计中,可以控制天线大小和结构,使用阻抗匹配转换器将输入阻抗与馈线匹配。一般天线开发基于50或75ohm阻抗,RFID射频识别系统中芯片的输入阻抗可以是任意值,在工作状态下很难准确测试,天线设计也很难优化。

对于近距离RFID射频识别应用,天线通常与读者集成。比较一般的东西,如UR5002读写器,对于远距离RFID射频识别系统,阅读器天线和阅读器通常使用单独的结构。比较一般的东西,如UR6258阅读器,阻抗通过匹配的同轴电缆连接。一般来说,定向天线的回声损失较小,因此更适合RFID电子标签应用。由于无法控制RFID电子标签放置方向,阅读器天线通常采用圆形极化方式。RFID阅读器天线需要低截面、小型化和多频带覆盖。对于分离式阅读器,还包括天线阵列的设计问题。国外已经开始研究将智能波束扫描天线阵列应用于阅读器,读者可以按照一定的处理顺序打开“智能”,关闭其他天线,使系统能够检测到其他天线应用区域的RFID电子标签,从而扩大系统的应用范围。

射频识别RFID天线介绍

3 .射频识别RFID天线结论

目前,RFID射频识别射频识别技术已发展成为一个独立的跨学科专业领域,融合了天线技术、半导体技术、高频技术、电磁兼容性、数据保护和加密、无线通信技术、封装制造技术等多种专业领域的技术。RFID自动识别射频识别技术可大大降低人工成本,提高工作准确性,加快数据处理速度,有效跟踪物流动态等优点。RFID射频识别天线设计技术是整个RFID自动识别系统设计中相当重要的攻击技术,需要更细致地考虑RFID射频识别系统应用环境、工作频率、阻抗匹配等影响。为RFID自动识别系统的理想操作提供保证。

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