射頻識別技術(shù)及射頻天線的介紹 |
發(fā)布時間:2021-05-10 10:36:34 |
1.射頻識別技術(shù)簡介 射頻識別技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù),具有傳輸速度快,防撞,批量讀取和移動過程讀取的優(yōu)點(diǎn)。它至少包含兩個部分,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,通過射頻前端電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當(dāng)進(jìn)入邏輯控制電路進(jìn)行處理時,需要響應(yīng)的信息將從標(biāo)簽存儲器中傳輸出來,并通過邏輯發(fā)送回RF前端電路??刂齐娐纷罱K通過天線發(fā)送回讀寫器。 在射頻識別技術(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)簽的芯片啟動電路開始工作,并因此需要從讀取器產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量。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源天線。有源天線對性能的要求低于無源天線,但性能會受到電池壽命的極大影響。無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)場區(qū)域(類似于穩(wěn)定場)中完成。它被稱為感應(yīng)耦合系統(tǒng)。由于兩個系統(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)簽天線分為近場感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用由多匝感應(yīng)線圈組成的近場感應(yīng)線圈天線,與電感線圈并聯(lián)連接的電容器通過形成并聯(lián)諧振環(huán)路來組合最大的射頻能量。 在微波輻射系統(tǒng)中使用的場輻射天線主要是偶極天線和縫隙天線,而遠(yuǎn)場輻射天線通常是諧振的,通常是半波長。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。標(biāo)簽,阻抗匹配很好,無論標(biāo)簽處于哪個方向,標(biāo)簽天線的極化都可以匹配來自閱讀器的信號。它堅(jiān)固且便宜。選擇天線時,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度相同的直線排列成一條直線,信號以兩個端點(diǎn)為中心。天線的長度決定了頻率范圍??p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。矩形的長度和寬度確定頻率范圍。 識別距離小于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)生的交變磁場時,標(biāo)簽天線和閱讀器天線之間的相互作用類似于變壓器。兩個線圈都對應(yīng)于變壓器的初級線圈和次級線圈。 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,即面積較小且需要一定的工作距離時。 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,例如識別和貨物標(biāo)簽。對于用于高頻,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),特別是在長距離射頻識別技術(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題是它們對標(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選擇適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)來達(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,可以獲得天線的多頻帶特性和尺寸減小特性。國內(nèi)外對具有分形結(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)。 通過對半波振蕩器的各個位置和尺寸使用希爾伯特分形變換,并采用矩量法對希爾伯特標(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試RF識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,寬度和尺寸對諧振特性的影響。矩形天線。 彎曲的縫隙天線,平板尺寸為LxW,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題(這一直是RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中經(jīng)常注意到的問題)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,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,價格合理。缺點(diǎn)是它體積大,易碎,不能用于動物產(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,則無需外部設(shè)備即可運(yùn)行,從而使整個標(biāo)簽更小,更方便使用,從而導(dǎo)致對片上天線技術(shù)的研究。 將天線集成到芯片上可以簡化原始標(biāo)簽的生產(chǎn)過程,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傳感器決定了整個系統(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。外部磁場能量被轉(zhuǎn)換為用作整個芯片的工作功率的芯片上電源電壓,同時,由于電磁場變化而導(dǎo)致的芯片上電流或電壓變化如下。它用于識別接收到的信號。由于其自身的輸出阻抗,通過改變外部磁場,信號被傳輸?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(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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