射頻識(shí)別技術(shù)及射頻天線的介紹 |
| 發(fā)布時(shí)間:2021-05-10 10:36:34 |
| 1.射頻識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介 射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有傳輸速度快，防撞，批量讀取和移動(dòng)過(guò)程讀取的優(yōu)點(diǎn)。它至少包含兩個(gè)部分，一是讀寫器，二是射頻標(biāo)簽，另外還應(yīng)包括射頻天線、主機(jī)等。RFID技術(shù)被用于物流和供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理、防偽與安全控制管理、交通管理與控制等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前，射頻識(shí)別技術(shù)的工作頻帶包括低頻，高頻，超高頻和微波范圍，其中高頻和超高頻是使用廣泛的。
2 RFID技術(shù)原理 RFID系統(tǒng)的基本工作原理如下。射頻標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器并發(fā)送射頻場(chǎng)之后，從天線獲得的感應(yīng)電流將在升壓電路之后用作芯片的電源，并且感應(yīng)電流將與信息一起，通過(guò)射頻前端電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)進(jìn)入邏輯控制電路進(jìn)行處理時(shí)，需要響應(yīng)的信息將從標(biāo)簽存儲(chǔ)器中傳輸出來(lái)，并通過(guò)邏輯發(fā)送回RF前端電路?？刂齐娐纷罱K通過(guò)天線發(fā)送回讀寫器。  在射頻識(shí)別技術(shù)方面，RFID標(biāo)簽性能的關(guān)鍵是RFID標(biāo)簽天線的特性和性能。天線在標(biāo)簽和閱讀器之間的數(shù)據(jù)通信中起著重要作用。一方面，標(biāo)簽的芯片啟動(dòng)電路開(kāi)始工作，并因此需要從讀取器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量。另一方面，天線確定標(biāo)簽和讀取器之間的通信信道和通信方法。因此，重點(diǎn)一直放在天線上，尤其是標(biāo)簽的內(nèi)部天線上。
3.1 RFID系統(tǒng)天線的類型 根據(jù)RFID標(biāo)簽芯片的供電方式，可以將RFID標(biāo)簽天線分為有源天線和無(wú)源天線。有源天線對(duì)性能的要求低于無(wú)源天線，但性能會(huì)受到電池壽命的極大影響。無(wú)源天線可以克服電池受限有源天線的缺點(diǎn)，但需要較高的天線性能。當(dāng)前，RFID天線的研究重點(diǎn)是無(wú)源天線。在RFID系統(tǒng)的工作頻率下，電磁能量的傳輸在RFID系統(tǒng)的LF，HF部分F（例如，6.78 MHz，13.56 MHz）的感應(yīng)場(chǎng)區(qū)域（類似于穩(wěn)定場(chǎng)）中完成。它被稱為感應(yīng)耦合系統(tǒng)。由于兩個(gè)系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳輸方法不同，相應(yīng)的RFID標(biāo)簽天線和前端部分具有獨(dú)特的特性，因此標(biāo)簽天線分為近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用由多匝感應(yīng)線圈組成的近場(chǎng)感應(yīng)線圈天線，與電感線圈并聯(lián)連接的電容器通過(guò)形成并聯(lián)諧振環(huán)路來(lái)組合最大的射頻能量。 在微波輻射系統(tǒng)中使用的場(chǎng)輻射天線主要是偶極天線和縫隙天線，而遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線通常是諧振的，通常是半波長(zhǎng)。天線的形狀和尺寸決定了可以捕獲的頻率范圍的性能，頻率越高，天線越敏感，占用的面積越小。工作頻率越高，標(biāo)簽尺寸越小，并且遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線的輻射效率比近方向天線高。 3.2 RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求 RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要求主要如下：天線的物理尺寸足夠小，可以滿足標(biāo)簽小型化的需求。它具有全向或半球范圍的方向性。它具有高增益，可以向芯片提供最大的信號(hào)。標(biāo)簽，阻抗匹配很好，無(wú)論標(biāo)簽處于哪個(gè)方向，標(biāo)簽天線的極化都可以匹配來(lái)自閱讀器的信號(hào)。它堅(jiān)固且便宜。選擇天線時(shí)，主要考慮因素是天線類型，天線阻抗，應(yīng)用于該物品的RF性能以及帶有標(biāo)簽的物品周圍還有其他物品時(shí)的RF性能。
4 RFID標(biāo)簽天線類別和研究現(xiàn)狀 標(biāo)簽天線主要分為三類：線圈型，偶極子型和縫隙（帶微帶貼片）型。線圈天線是金屬線繞平面或磁芯的繞線。偶極天線由兩條厚度和長(zhǎng)度相同的直線排列成一條直線，信號(hào)以兩個(gè)端點(diǎn)為中心。天線的長(zhǎng)度決定了頻率范圍。縫隙天線由從金屬表面切出的凹槽組成，微帶貼片天線由末端帶有矩形的電路板組成。矩形的長(zhǎng)度和寬度確定頻率范圍。 識(shí)別距離小于1m的中低頻短距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的線圈型天線，而高頻或遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)1I1則采用這種方法。上面的微波頻段應(yīng)使用偶極子和縫隙天線。  當(dāng)標(biāo)簽線圈天線進(jìn)入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí)，標(biāo)簽天線和閱讀器天線之間的相互作用類似于變壓器。兩個(gè)線圈都對(duì)應(yīng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。 標(biāo)簽和讀取器之間的雙向通信所使用的載波頻率是標(biāo)簽的天線線圈的外觀需要較小時(shí)，即面積較小且需要一定的工作距離時(shí)。 RFID標(biāo)簽和閱讀器之間的天線線圈電感（顯然不能滿足實(shí)際要求）。如有必要，可以將具有高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料插入標(biāo)簽天線線圈，以增加互感，以補(bǔ)償較小的互感。線圈天線的當(dāng)前實(shí)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成熟，并廣泛用于RFID系統(tǒng)中，例如識(shí)別和貨物標(biāo)簽。對(duì)于用于高頻，大型RFID應(yīng)用的線圈天線，很難實(shí)現(xiàn)該性能指標(biāo)。信息量大，工作距離和方向不確定。 4.2偶極天線 偶極天線具有輻射好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)成適合全向通信的RFID系統(tǒng)，特別是在長(zhǎng)距離射頻識(shí)別技術(shù)的RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)半波偶極子天線最大的問(wèn)題是它們對(duì)標(biāo)簽尺寸的影響，例如915MHz半波偶極子。研究表明，端接，傾斜和折疊的偶極天線可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)來(lái)達(dá)到所需的輸入阻抗，這具有高增益，寬頻率范圍和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。它具有出色的性能，并與比較產(chǎn)品兼容。使用傳統(tǒng)的半波偶極天線，其尺寸要小得多，并且如果與釬焊的電氣端子和平衡-不平衡變壓器匹配，您甚至可以最大化增益，阻抗匹配和帶寬。眾所周知，增加天線的彎曲數(shù)量可以幫助減小天線尺寸而不損害天線效率。那么，在狹窄空間中的“彎曲”方式是什么？某些“彎曲”參數(shù)會(huì)影響標(biāo)簽的共振。天線頻率和輸入阻抗有什么影響？如何“彎曲”最佳射頻效率？ 我們知道具有分形結(jié)構(gòu)的物體通常具有成比例的自相似性和空間填充特性，并且當(dāng)應(yīng)用于天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以獲得天線的多頻帶特性和尺寸減小特性。國(guó)內(nèi)外對(duì)具有分形結(jié)構(gòu)的天線已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并且已經(jīng)證明具有分形結(jié)構(gòu)的天線具有出色的尺寸減小特性，并且可以在有限的空間內(nèi)極大地改善天線效率網(wǎng)絡(luò)。 通過(guò)對(duì)半波振蕩器的各個(gè)位置和尺寸使用希爾伯特分形變換，并采用矩量法對(duì)希爾伯特標(biāo)簽天線進(jìn)行仿真，可以得到分形維數(shù)和階數(shù)不同的標(biāo)簽天線的諧振頻率和輸入阻抗。仿真結(jié)果是分析結(jié)果，這是確定適合實(shí)際標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)要求的標(biāo)簽天線的尺寸和順序，另外制造物理天線并測(cè)試RF識(shí)別距離的常用研究方法。 4.3插槽（帶微帶貼片）天線 縫隙天線具有高度低，重量輕，加工簡(jiǎn)單，易于裝入物體，批量生產(chǎn)，各種電氣性能，寬帶以及帶有集成電路的有源器件和元件等特點(diǎn)，適合批量生產(chǎn)并且可以簡(jiǎn)化。整機(jī)的生產(chǎn)和調(diào)試，從而大大降低了成本。 微帶貼片天線由輻射貼片導(dǎo)體組成，該輻射貼片導(dǎo)體附著到帶有金屬底板的介電基板上，并且可以根據(jù)天線的輻射特性將貼片導(dǎo)體設(shè)計(jì)成各種形狀。它通常用于頻率高于100 MHz的低剖面結(jié)構(gòu)，通常由薄的介電層（稱為基板）表面組成，并在接地面上放置了矩形或正方形的金屬貼片。補(bǔ)丁可以這樣制作：光刻：由于制造，成本低廉且易于批量生產(chǎn)。 如前所述，彎曲天線可用于減小標(biāo)簽天線的物理尺寸并滿足標(biāo)簽微型化的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于縫隙天線，也可以使用彎曲的概念。實(shí)際上，彎曲縫隙天線適用于高頻微波波段的RFID標(biāo)簽，可以有效減小天線尺寸，并具有良好的性能。市場(chǎng)前景廣闊。研究方法與彎曲偶極天線相似，采用矩量法研究縫隙彎曲次數(shù)，縫隙天線的高度，位置，寬度和尺寸對(duì)諧振特性的影響。矩形天線。 彎曲的縫隙天線，平板尺寸為L(zhǎng)xW，縫隙的彎曲寬度和高度分別為s和h，縫隙中心與饋電點(diǎn)之間的距離如下。這些參數(shù)的更改包括：縫隙天線諧振特性，反射系數(shù)，天線效率等 基于各種彎曲參數(shù)對(duì)縫隙天線性能的影響，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)用于UHF射頻識(shí)別標(biāo)簽的縫隙天線，并可以制作特定的物理天線。在UHF標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，彎曲縫隙天線有望成為更廣闊的發(fā)展方向。  除了減小物理尺寸的問(wèn)題（這一直是RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中經(jīng)常注意到的問(wèn)題）外，進(jìn)一步改善了微型天線的帶寬和增益特性，以擴(kuò)展實(shí)際應(yīng)用范圍并擴(kuò)展交叉極化。通過(guò)分析小型天線的特性可以弄清這一點(diǎn)。極化純度也是重要的研究方向。此外，涵蓋各種頻率的復(fù)雜天線設(shè)計(jì)，多標(biāo)簽天線優(yōu)化分配技術(shù)，閱讀器智能波束掃描天線陣列技術(shù)，設(shè)計(jì)仿真軟件和平臺(tái)，標(biāo)簽天線和附屬介質(zhì)匹配技術(shù)，一致的干擾預(yù)防以及安全性和可靠性技術(shù)都是值得繼續(xù)研究。 其中，片上天線技術(shù)已成為最近研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著RFID技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，RFID標(biāo)簽對(duì)小型化，輕便，多功能，低功耗和低成本的要求不斷提高，但是目前，RFID標(biāo)簽仍使用片外獨(dú)立天線。 Q（品質(zhì)因數(shù)）值高，制造容易，價(jià)格合理。缺點(diǎn)是它體積大，易碎，不能用于動(dòng)物產(chǎn)品的防偽或生物標(biāo)記等工作。如果天線可以集成到標(biāo)簽芯片中，則無(wú)需外部設(shè)備即可運(yùn)行，從而使整個(gè)標(biāo)簽更小，更方便使用，從而導(dǎo)致對(duì)片上天線技術(shù)的研究。 將天線集成到芯片上可以簡(jiǎn)化原始標(biāo)簽的生產(chǎn)過(guò)程，不僅可以降低成本，而且可以提高可靠性。片上天線作為能量接收器和信號(hào)傳感器決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，其基本出發(fā)點(diǎn)是使用法拉第電磁感應(yīng)原理。外部磁場(chǎng)能量被轉(zhuǎn)換為用作整個(gè)芯片的工作功率的芯片上電源電壓，同時(shí)，由于電磁場(chǎng)變化而導(dǎo)致的芯片上電流或電壓變化如下。它用于識(shí)別接收到的信號(hào)。由于其自身的輸出阻抗，通過(guò)改變外部磁場(chǎng)，信號(hào)被傳輸?shù)浇邮斩?。迄今為止，以?biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的片上天線仍使用基于硅的集成螺旋電感器作為其基本結(jié)構(gòu)。 除了RFID標(biāo)簽的內(nèi)部設(shè)計(jì)之外，在諸如RFID智能平臺(tái)（智能表）天線等領(lǐng)域的研究也引起了人們的關(guān)注。 |
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