《超高频rfid标签天线设计技术与优化实践》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超高频rfid标签天线设计技术与优化实践（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Jin口ngs ongAb str act:Ae eor dingtot her eque stofChina“863”Pr o je ct,inadva ne ed ma nuf a ctur et e Chn olog y“imp ona ntissue ofRFIDteehnolog ie sa ndaPPliea t io n”,r ela t ed 20 ( 拓 f is c a lyea rO b jeet,throug ha na l yse s ofPassiveRF IDt ag,a ndaPr aetiea ld esi gnoftraeingsto ragebo x es
2、,thisa r tielean alyse stheinf lu e n eeofdif f er enteleetro nief ielda ndmeehaniealehar aeter istiesetef aeto rstode si gnoftaga ntenna,aswella staga nten n a eon st r uetio nbasedo ndif f er entaPPlie ation s,equaleleet r onietageir euitmodelof t a ga nt en naa ndabst ra ctionofmo delf aeto r,de
3、signr e questerc.,andob面nsgen er alde si gnProgr essandmeasur e me nt reehn olog y.Itg ive s ate ehn olog ysuPPor tf orhig hsp eeddesi gn,aswellasbuilding mo delofanten n ael“t r ief ielda ndhig hsp eedsolutionmet ho d,e alibr ationa ndm ea sur ementmet ho dsf ort a ga nt en n a,a ndPr esentsma t ch
4、 ingcha ra cte rsoft鳃 a nt ennaa ndam ea sur ementsolutio nof direetiondiagr am,andof f ermeaningsofeer tif ic atio nf orR FIDtagantennade signa ndmassPro duetio n.Keywor ds:RF IDtaga nten n a,Passivemo dulatio n,oppo sitedist raetio n,tr ansdu e er前育:R FI D是一个应用RF信号自动识别目标并快速发展的技术。现在R FI D已在各种领域有很多应
5、用.例如E T C.资产识别.零曹项目管理.门禁控制.动物跟踪,车辆安全等;当前几种RF旧 系统标准也在使用中(150,C la s s0.Cla ss1.a ndGenZ);全球还都有它自己的RF旧频率分配.如R FIDUH F颇段.欧洲是86 68 69MHz.南美和北美是90 2928MHz等。自19 4 8年发裹第1篇关于调制反向散射(被动R I D的基础原理)的论文开始.关于RF旧天线(被动和主动标签)的论文也已经有很多.包括缝隙天线设计、回片天线分析、弯曲天线优化、平面反向天线、折.佃极子天线等.然而很少的论文给出R I D 标签天线设计的一般标准和实际应用方面的共性分析:但是关于
6、特殊应用的天线设计和实践分析论文很多。本篇论文.我们尝试在综合翻译部分研究论文和引用部分实际成果的基础上.弥补现有的空隙。通过回顾被动OH Rl D标签天线设计要求.略叙设计步骤,描叙射程测.技巧.提出标签分析性能曲线图。1概述,天线类型:天线是 一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射工作频率、频带宽度:出去的装t。天线按工作频段可分为低频、高频、超高频及微波天线等;*方向性增益:按方向性可分为全向天线、定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天*极化方向:天线 向周围空间辐射电磁线等。在R FI D系统中,天线分为标签天线和读写器天线两种情况。当前的波,电磁波由电场和磁场构成。
7、电场的方向就R F旧系统主要集中在L厂、H F(1 3.5 6MH:)、uH F和微波频段。天线的原理是天线极化的方向。天线的极化方式有线极和设计在L F、HF和U H频段有根本上的不 同。实质上.由于在L F和HF频化(水平和垂直极化)和圈极化(左旋和右旋段系统近场区并没有电磁波的传播,因此天线的问题主要集中在uHF和微极化)等方式。不同的射频识别系统采用的天波频段。线极 化方式可能不同。有些应用可以采用线天线具有多种不同的形式和结构,如偶级天线、双偶级天线、阵列天极化,但大多数场合,由于标签的方位是不可线、八木天线、平板天线、螺旋天线、环形天线等。其中环形天线主要用知的所以大部分系统采用回
8、极化使系统对于低频和高频.完成能,和数据的电磁摇合。在43 3MHz,引SMHz.2. 45 GH z标签的方位敏感性降低。射频系统 中主要采用的天线形式有平板天线,八木天线和阵列天线等*波瓣宽度:将天线最大辐射方向2侧,辐(图1 )。射强度降低3db(功率密度降低一半)的2点间的夹角定义为波瓣宽度(波束宽度或主瓣宽度或半功率角)。波瓣宽度越窄.方 向性越好,作用距离越远抗干扰能力就越强,但同时天线的扭盖范围也就越小。*阻抗问题;为了以最大功率传输.芯片的输入 阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来天线设计多与5。或70欧姆的阻抗匹配,但是可能还有其他。例如一个缝隙天线可 以 设计几 百 欧姆
9、的阻抗:一个折盛偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子 阻抗的2。倍;印刷贴片天线的引出点能够提供一个4 。到1。 。欧姆宽范围的阻抗。另一个问题是其他的与天线接近的物体可以 降低天线的返回损耗。对于全向天线如双偶极子天线.这个影响是显著的。,物体的介电常数:*辐射模式:*局部结构的影响,射程:最重 要的标签性能特性是射程(即标签读取距离)一一 一一R FI。读写器能够探测到的标签反向散射信号的最大的距离。因为读写器灵敏度明显比标签高。读取范围对标签 方向.标签的附着材料.传播环境也敏感。读取的范围可以用下列公式计算:r=立、/旦鱼旦二 4贫Vl几人圈3被动R曰O系统的操作由此构成影响标签天线性
10、能的特性参数主要有:(1)备注:入一一波长只-一读写器传输功率乓一一天线传输的增益G.一一标签天线接受的增益p.、-一供给R F旧标签芯片充足能源的口4:夭线阻抗,芯片阻抗,典型RF .0标签绷率范口天线阻抗、芯片阻抗和读取范围与频率的关系请见图4。标签射程带宽可描述成标签提供一个可接受的超过那个波段的最小读取范围的颇率带宽。从公式(,)可以看出读取范围是由读写器的乘积(发射!R P)、标签天线增益和传输系数决定的。很明显.在频率附属和起初决定标签晌应(发生在芯片与天线最佳阻抗匹配时的频率)时是占主导地位的。这个频率与5 00 卜 m载荷天线共振频率和自身响应天线是不同的。(1 )中的射程可用
11、一个因素:(,脚!两百厉来标准化。这个因素是固定颇率时0dB i天线与芯片阻抗最佳匹配(二1 )的标签射程。(1 )中的连续射程的等商线,可被增益传输系数平面划分,如圈5所示,标注有标准值。下图可作为一个类似史密斯表中线圈阻抗介绍的介绍任何RFI D标签天线性能的普通今考系。射程符合多个增益传输系数综合。R F旧标签天线设计步骤包括必要的天线增益、阻抗和带宽的权衡。上圈的性能曲线圈可帮助设计者评估阻抗匹配和增益的权衡范围。此性能表的归一化因紊可简单的计算出任何场合的EIR p和给定频率的芯片的极限功率。2.2设计要求抽象的讲,天线必须足够小以至于能够贴到浦要的物品上;有全向或半球扭益的方向性;
12、提供最大可能的信号给标签的芯片;无论物品什么方向,天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配;具有各棒性;非常便宜等.同时天线涉及到标签天线和读写器天线。从读写器到标签方向的数据传输过程中,所有已知的数字调制方法都可以选用.而与工作频率和辐合方式无关。常用的数据调制解调方式有幅度调制键控(A SK)、频移键控( FS K)和相移镇控(psK)等方式。为了简化电子标签设计并降低成本.多数射频识别系统采用ASK调制方式。.R FI D标签天线设计天线的目标是传输最大的能,进出标签芯片.这姗要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。当工作频率增加到微波区域,天线与标签芯片之间的匹配问肠变得更
13、加严峻。一直以来.标签天线的开发基于的是5 0或者75欧姆输入阻抗.而在R 旧应用中.芯片的输入阻抗可能是任意值,并且很难在工作状态下准确测试.缺少准确的参数,天线的设计难以达到最佳。天线的设计面临许多难题.相应的小尺寸以及低成本等要求的挑战;所标识物体的形状及物理特性.标签到贴标签物体的距离.贴标签物体的介电常数,金属表面的反射,局部结构对辐射模式等影晌,都将影晌标签天线特性。b. R F旧读写器天线设计对于近距离一3.56 MHzRFID应用(loem),比如门禁系统.天线一般和读写器集成在一起:对于远距离13. 5 6MH:(loem 一m)或者u日 频段(3m)的RF旧系统,天线和读写
14、器采取分离式结构.并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样.并且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展.天线设计面临新的挑战.读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段,益.对于分离式读写器,还将涉及到天线阵的设计问肠.以及小型化带来的低效率、低增益问题.这同样是国内外共同关注的研究课题。国外已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵.读写器可以按照一定的处理顺序.”智能”的打开和关闭不同的天线.使系统能够感知不同天线祖盖区域的标签.增大系统祖盖范围。也可以采取特殊的设计手段使读写器能够判定 目标的方位速度和方向信息。在某些特殊的应用领域.也可能使用智能天线相
15、位控制技术.使射颇识别系统具有空间感应能力等。下面讨论与标签应用相对贡要的几个通用的R I D标签设计要求。这些要求很大程度上用于侧定R F旧标签天线的选择标准。,)频率带宽:期望的工作颇率带宽依赖与标签使用地的规定。2)尺寸和版式:标签版式和尺寸必须能够被封装或粘贴到需要的目标上(纸版箱,航空行李票,识别卡等,或者可被固定在一个印刷好的标签内。3 )读取范围:器要读取的最小范围通常是特定的.不同的。EIR p:E!R p是由本地国家规定测定的舀、J飞pre sentationSO IUtion目标:当固定在不 同 目标上时.或当有限差异时域法FO T 。的更复杂的三维设计法(如厚的金属 固定
16、标签)。快速EM别的目标出现在标识目标附近.标签性分析工具对有效的标签设计很重要。一个典型的设计步骤模型和仿真工具可能将改变(例如各种容t的纸版箱)。标作为测t的基准。读取范围计算可直接在M软件中执行。标签天线首先是棋签天线可根据特殊目标上的最佳性能来型化;仿真;以设计或调谐.或设计成对标签标识目标及 通过监测标的容t敏感度最小。签射程、天线方向性:读取距离依赖天线方向性。增益和提 供给一些应用需要标签具备特定方向性.如设计者更好理全向性成半球型 祖 盖。解天线行 为的4)应用的灵活性:R F旧标签可能被阻抗,在计算用在下列情况,如速度到6 O0 ft/min或1 0机上优化。设mph的传输带上的货盘成箱体。此时引5计步骤的最后MH:下多普勒变化改变少于3 OH z,不影响一步,建立原R F旧工作。然而,标签在R F旧读写器读取型和 充分测t区域时间很少.须 要求很高的读取速率。性能。如果擂所以,RFI D系统必须保证标签识别的可靠求满足.可以性。开始天线设5 )成本:R F旧标签必须是低成本。这计;否则,进一约束了天线结构和根据结构包括A SI
