RFID标签天线的研究及热点分析

周鹏飞

（安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽 淮南 232000）

1 RFID技术原理及其分类

RFID系统的基本工作原理是:标签进入读写器发射射频场后,将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理,需要回复的信息则从标签存储器发出,经逻辑控制电路送回射频前端电路,最后通过天线发回读写器。

天线处于RFID读写器系统的最前端，是其重要组成部分。从RFID技术原理上看,RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能。按RFID标签芯片的供电方式来分,RFID标签天线可以分为有源天线和无源天线。从RFID系统工作频段来分,LF、HF段的电磁能量的传送是在感应场区域(似稳场)中完成,也称为磁场感应耦合系统；UHF段的电磁能量的传送是在远场区域 (辐射场)中完成,也称为微波辐射系统。

由于两种系统的能量产生和传送方式不同,对应的RFID标签天线及前端部分存在各自特殊性,因此标签天线分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。感应耦合系统使用的是近场感应线圈天线，由多匝电感线圈组成,电感线圈和与其相并联的电容构成并联谐振回路以耦合最大的射频能量；微波辐射系统使用的远场辐射天线的种类主要是偶极子天线和缝隙天线,远场辐射天线通常是谐振式的[2]，一般取半波长。

2 磁场耦合式天线概述及主要影响参数

磁场耦合式天线是低频和高频频段RFID应用中广泛采用的天线形式，其基本形式是由线圈绕制而成。工业上存在多种制作方法，或用金属线绕制，或在介质板上印刷而成[4]，当交变电流在线圈中流动时，就会在线圈周围产生很强的磁场，磁场穿过线圈的横截面和线圈周围空间，由于电磁波的波长比读写器和标签之间的距离大得多，可以把读写器与传感器之间的电磁场简化为交变磁场来研究，读写器就是通过磁场耦合的方式与标签通信的。下面结合磁场耦合式天线来分析在其设计过程中所要关注的几个参数。

2.1 线圈的电感L

天线线圈的电感L是设计主要关心的参数，要想使天线获得较大的电流，通常将天线线圈L、电容器C和电阻R串联在一起，组成串联谐振电路，因此在设计时必须确定线圈的电感值L，然后根据谐振频率求得所要求的电容C，计算公式如下：

标签和读写器双向通信使用的载波频率就是f。当要求标签天线线圈外形很小,面积小,且需一定的工作距离,RFID标签与读写器间的天线线圈互感量(M)就明显不能满足实际需求,可以在标签天线线圈内部插入具有高导磁率(μ)的铁氧体材料,以增大互感量,从而补偿线圈横截面小的问题[5]。

2.2 线圈天线的Q值

线圈天线的性能与线圈的Q值具有很大的关系，一般来说，线圈的Q值越高，谐振电流就越大，周围的场强也就越强，由此改善标签的功率传输特性。另一方面，线圈天线的带宽与品质因数成反比，过高的品质因数会导致带宽缩小从而明显降低标签收到的调制边带。许多系统给出Q=10-30为最佳的品质因数值，事实上品质因数取决于所需的带宽和调制的方法，需要根据具体的应用以达到最佳的效果。

3 13.56MHz天线的研究

根据上面的对线圈天线的性能与Q值关系的分析，下图给出了一款13.56MHz天线的品质因数与调制带宽关系的示意图。

图1 天线的带通特性与Q值的关系图

近距离读写器天线多在PCB上腐蚀而成，线圈天线一般由印刷线圈和匹配电路构成。线圈天线的原理图如下：

图2 读写器的线圈天线原理图

L为印刷线圈电感，尺寸大约为50mm×60mm；VC1、VC2、C1、C2为匹配电容，其作用是将天线的输入阻抗设计为50Ω，其作用的输出阻抗相匹配。R1、R2为外加阻尼电阻，与天线线圈的损耗电阻一起，使天线电感线圈的Q值在要求范围内。元器件的值是在线圈电感L和Rs已测定的情况下计算出来的，假定C1、VC1的并联值为 C10；C2、VC2的并联值为C20；R1、R2的并联值为 Ra；则有：

13.56 MHz标签天线的实现技术现已成熟，广泛地应用在身份识别、货物标签、电子门票等RFID系统中。在2005中国上海ATP网球大师赛中首次使用了RFID智能电子门票，含有RFID标签的门票与RFID读写器天线就是通过工作在13.56MHz的空中接口协议建立通信应答。但就其应用现状来说，该频段传输距离不够长而限制了阅读器和RFID标签间的传输距离，这样在天线线圈的中间出现了阅读盲区，即在天线的中央出现了磁通洞，使得若干标签不能有效地被读取。对于此现象，设计上采用多个覆盖较小区域的线圈的串并组合来构成一个覆盖较大区域的天线线圈，采用这样的阅读器天线不仅可以使阅读器具有阅读较大平面区域标签的能力，还使阅读器具有阅读立体空间标签的能力[3]。而跨越UHF频段的最大问题是绝大多数的RFID系统和标签供应商，其设备无法支援UHF频段。因此，各公司、自动识别中心与国际标准组织都正致力于制定射频识别标签的标准，以求所有的标签能与任何读取机相容。

4 RFID标签天线的热点问题

在RFID标签天线的设计中,除了一直很受重视的减小物理尺寸问题,进一步改善小型化后的天线带宽和增益特性以扩展其实际应用范围,分析小型化天线的交叉极化特性以明确其极化纯度也是重要的研究方向,另外,覆盖各种频率的复合天线设计,多标签天线优化分布技术,读写器智能波束扫描天线阵技术,设计仿真软件和平台,标签天线和附着介质匹配技术,一致性抗干扰性和安全可靠性技术等都是值得继续研究的内容。其中,片上天线技术是近期研究的热点问题。RFID技术应用领域的不断扩展,使RFID标签对小型化、轻量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不断提高。

[1]金颖妮，郑正奇等.RFID标签天线的研究现状和热点问题探讨.电信科学，2008年第8期

[2]朱 轶，王刚等.13.56MHz RFID阅读器天线的设计.微波学报.2008年10月

[3]林启水.RFID标签天线的三种制作方法.印制电子.2010年

[4]宁焕生，张彦.RFID与物联网.电子工业出版社.2008年4月