射频识别技术及射频天线的介绍

发布时间:2021-05-10 10:36:34
1.简介

射频识别技术是一种采用射频技术的非接触式自动识别技术,具有传输速度快,防撞,批量读取和移动过程读取的优点。它至少包含两个部分,一是读写器,二是射频标签,另外还应包括射频天线、主机等。RFID技术被用于物流和供应链管理、生产管理、防伪与安全控制管理、交通管理与控制等领域具有很大的应用潜力。当前,射频识别技术的工作频带包括低频,高频,超高频和微波范围,其中高频和超高频是使用最广泛的。

射频识别技术及射频天线的介绍


2 RFID技术原理

RFID系统的基本工作原理如下。射频标签进入读写器并发送射频场之后,从天线获得的感应电流将在升压电路之后用作芯片的电源,并且感应电流将与信息一起,通过射频前端电路将其转换为数字信号。当进入逻辑控制电路进行处理时,需要响应的信息将从标签存储器中传输出来,并通过逻辑发送回RF前端电路。控制电路最终通过天线发送回读写器。

3.RFID系统的天线

在RFID技术方面,RFID标签性能的关键是RFID标签天线的特性和性能。天线在标签和阅读器之间的数据通信中起着重要作用。一方面,标签的芯片启动电路开始工作,并因此需要从读取器产生的电磁场中获得足够的能量。另一方面,天线确定标签和读取器之间的通信信道和通信方法。因此,重点一直放在天线上,尤其是标签的内部天线上。

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3.1 RFID系统天线的类型

根据RFID标签芯片的供电方式,可以将RFID标签天线分为有源天线和无源天线。有源天线对性能的要求低于无源天线,但性能会受到电池寿命的极大影响。无源天线可以克服电池受限有源天线的缺点,但需要较高的天线性能。当前,RFID天线的研究重点是无源天线。在RFID系统的工作频率下,电磁能量的传输在RFID系统的LF,HF部分F(例如,6.78 MHz,13.56 MHz)的感应场区域(类似于稳定场)中完成。它被称为感应耦合系统。由于两个系统的能量产生和传输方法不同,相应的RFID标签天线和前端部分具有独特的特性,因此标签天线分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。感应耦合系统使用由多匝感应线圈组成的近场感应线圈天线,与电感线圈并联连接的电容器通过形成并联谐振环路来组合最大的射频能量。

在微波辐射系统中使用的场辐射天线主要是偶极天线和缝隙天线,而远场辐射天线通常是谐振的,通常是半波长。天线的形状和尺寸决定了可以捕获的频率范围的性能,频率越高,天线越敏感,占用的面积越小。工作频率越高,标签尺寸越小,并且远场辐射天线的辐射效率比近方向天线高。


3.2 RFID标签天线的设计要求

RFID标签天线的设计要求主要如下:天线的物理尺寸足够小,可以满足标签小型化的需求。它具有全向或半球范围的方向性。它具有高增益,可以向芯片提供最大的信号。标签,阻抗匹配很好,无论标签处于哪个方向,标签天线的极化都可以匹配来自阅读器的信号。它坚固且便宜。选择天线时,主要考虑因素是天线类型,天线阻抗,应用于该物品的RF性能以及带有标签的物品周围还有其他物品时的RF性能。

4 RFID标签天线类别和研究现状

标签天线主要分为三类:线圈型,偶极子型和缝隙(带微带贴片)型。线圈天线是金属线绕平面或磁芯的绕线。偶极天线由两条厚度和长度相同的直线排列成一条直线,信号以两个端点为中心。天线的长度决定了频率范围。缝隙天线由从金属表面切出的凹槽组成,微带贴片天线由末端带有矩形的电路板组成。矩形的长度和宽度确定频率范围。

识别距离小于1m的中低频短距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单,成本低廉的线圈型天线,而高频或远距离应用系统的远程应用系统1I1则采用这种方法。上面的微波频段应使用偶极子和缝隙天线。

4.1线圈天线

当标签线圈天线进入阅读器产生的交变磁场时,标签天线和阅读器天线之间的相互作用类似于变压器。两个线圈都对应于变压器的初级线圈和次级线圈。

标签和读取器之间的双向通信所使用的载波频率是标签的天线线圈的外观需要较小时,即面积较小且需要一定的工作距离时。 RFID标签和阅读器之间的天线线圈电感(显然不能满足实际要求)。如有必要,可以将具有高磁导率的铁氧体材料插入标签天线线圈,以增加互感,以补偿较小的互感。线圈天线的当前实现技术已经成熟,并广泛用于RFID系统中,例如识别和货物标签。对于用于高频,大型RFID应用的线圈天线,很难实现该性能指标。信息量大,工作距离和方向不确定。

4.2偶极天线

偶极天线具有辐射好,结构简单,效率高的优点,可以设计成适合全向通信的RFID系统,特别是在长距离RFID系统的RFID标签天线设计中得到了广泛的应用。

传统半波偶极子天线最大的问题是它们对标签尺寸的影响,例如915MHz半波偶极子。研究表明,端接,倾斜和折叠的偶极天线可以通过选择适当的几何参数来达到所需的输入阻抗,这具有高增益,宽频率范围和低噪声的优点。它具有出色的性能,并与比较产品兼容。使用传统的半波偶极天线,其尺寸要小得多,并且如果与钎焊的电气端子和平衡-不平衡变压器匹配,您甚至可以最大化增益,阻抗匹配和带宽。众所周知,增加天线的弯曲数量可以帮助减小天线尺寸而不损害天线效率。那么,在狭窄空间中的“弯曲”方式是什么?某些“弯曲”参数会影响标签的共振。天线频率和输入阻抗有什么影响?如何“弯曲”最佳射频效率?

我们知道具有分形结构的物体通常具有成比例的自相似性和空间填充特性,并且当应用于天线设计时,可以获得天线的多频带特性和尺寸减小特性。国内外对具有分形结构的天线已经进行了大量研究,并且已经证明具有分形结构的天线具有出色的尺寸减小特性,并且可以在有限的空间内极大地改善天线效率网络。

通过对半波振荡器的各个位置和尺寸使用希尔伯特分形变换,并采用矩量法对希尔伯特标签天线进行仿真,可以得到分形维数和阶数不同的标签天线的谐振频率和输入阻抗。仿真结果是分析结果,这是确定最适合实际标签天线设计要求的标签天线的尺寸和顺序,另外制造物理天线并测试RF识别距离的常用研究方法。

4.3插槽(带微带贴片)天线

缝隙天线具有高度低,重量轻,加工简单,易于装入物体,批量生产,各种电气性能,宽带以及带有集成电路的有源器件和元件等特点,适合批量生产并且可以简化。整机的生产和调试,从而大大降低了成本。

微带贴片天线由辐射贴片导体组成,该辐射贴片导体附着到带有金属底板的介电基板上,并且可以根据天线的辐射特性将贴片导体设计成各种形状。它通常用于频率高于100 MHz的低剖面结构,通常由薄的介电层(称为基板)表面组成,并在接地面上放置了矩形或正方形的金属贴片。补丁可以这样制作:光刻:由于制造,成本低廉且易于批量生产。

如前所述,弯曲天线可用于减小标签天线的物理尺寸并满足标签微型化的设计要求。对于缝隙天线,也可以使用弯曲的概念。实际上,弯曲缝隙天线适用于高频微波波段的RFID标签,可以有效减小天线尺寸,并具有良好的性能。市场前景广阔。研究方法与弯曲偶极天线相似,采用矩量法研究缝隙弯曲次数,缝隙天线的高度,位置,宽度和尺寸对谐振特性的影响。矩形天线。

弯曲的缝隙天线,平板尺寸为LxW,缝隙的弯曲宽度和高度分别为s和h,缝隙中心与馈电点之间的距离如下。这些参数的更改包括:缝隙天线谐振特性,反射系数,天线效率等

基于各种弯曲参数对缝隙天线性能的影响,可以根据实际需要设计用于UHF射频识别标签的缝隙天线,并可以制作特定的物理天线。在UHF标签天线设计领域,弯曲缝隙天线有望成为更广阔的发展方向。

5 RFID标签天线的热点问题

除了减小物理尺寸的问题(这一直是RFID标签天线设计中经常注意到的问题)外,进一步改善了微型天线的带宽和增益特性,以扩展实际应用范围并扩展交叉极化。通过分析小型天线的特性可以弄清这一点。极化纯度也是重要的研究方向。此外,涵盖各种频率的复杂天线设计,多标签天线优化分配技术,阅读器智能波束扫描天线阵列技术,设计仿真软件和平台,标签天线和附属介质匹配技术,一致的干扰预防以及安全性和可靠性技术都是值得继续研究。

其中,片上天线技术已成为最近研究中的热点问题。随着RFID技术的应用领域的不断扩大,RFID标签对小型化,轻便,多功能,低功耗和低成本的要求不断提高,但是目前,RFID标签仍使用片外独立天线。 Q(品质因数)值高,制造容易,价格合理。缺点是它体积大,易碎,不能用于动物产品的防伪或生物标记等工作。如果天线可以集成到标签芯片中,则无需外部设备即可运行,从而使整个标签更小,更方便使用,从而导致对片上天线技术的研究。

将天线集成到芯片上可以简化原始标签的生产过程,不仅可以降低成本,而且可以提高可靠性。片上天线作为能量接收器和信号传感器决定了整个系统的性能,其基本出发点是使用法拉第电磁感应原理。外部磁场能量被转换为用作整个芯片的工作功率的芯片上电源电压,同时,由于电磁场变化而导致的芯片上电流或电压变化如下。它用于识别接收到的信号。由于其自身的输出阻抗,通过改变外部磁场,信号被传输到接收端。迄今为止,以标准CMOS工艺实现的片上天线仍使用基于硅的集成螺旋电感器作为其基本结构。

除了RFID标签的内部设计之外,在诸如RFID智能平台(智能表)天线等领域的研究也引起了人们的关注。

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