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1、一种金属表面超高 频RFID标签天线 设计analyzed the cause of the performance deterioration of the tag placed near the metallic objects,and the existing research against the metal surface of the antenna,in the practical application for the design of anti metal UHF RFID tag antenna is proposed.I I摘要：无线射频识别(RFID)系统主要 由R
2、FID读写器和电子标签组成。近年 来，RFID技术已经广泛应用于工业自 动化、商业自动化、交通运输控制管 理等众多领域。在很多应用中，RFID 标签应用与金属表面，但是，具有类 偶极子天线的普通无缘超高频RFID标 签应用于金属表面时，其阻抗匹配， 辐射效率，核辐射方向图都会发生改 变，从而导致标签的性能变差，设置 不能被有效读取。为解决超高频 RFID 标签应用于金属表面的问题。本文先 分析应用于金属表面性能恶化的原 因，介绍现有对抗金属表面的天线研 究,在针对实际应用提出超高频 RFID 抗金属标签天线的设计。关键词：射频识别，超高频，标签，天线， 金属表面，抗金属Keywords:Ant
3、i-me , tag, Antenna,Metallic,RFID,Tag,UHF.1 .RFID简要1.1 RFID技术的系统组成一个典型的RFID系统如图1.1所 示。一般包括标签(tag)、阅读器(reader) 和应用系统(application system匕个部 分。阅读器通过射频信号给标签提供 能量并“询问”标签，标签被激活后将其存储的标签信息发送给阅读器，阅读器再将读取的标签信息发送给应 用系统以结合具体的应用背景进行数 据的控制、存储及管理。拈正*动用骑中 杯与=卜田洋8是峰；比绛五盘林鉴若尉计算胡怛势Abstract :Radio frequencyidentificati
4、on(RFID ) in the ultra-high-frequency(UHF)band has gained interest in supply chain management and traffic management becauseof its long read range.In many applications,RFID tags need to be attached on the surface of metallic objects.However,it is a challenge for label type passive UHF RFID tags with
5、 dipole-like antennas to be mounted on the surface of metal. This essay first图LJ 射萦识别隹统基本地构标签一般由标签天线与标签芯片 组成。标签天线接收阅读器发射过来 的射频信号并转化为能量，获取的能 量给标签芯片供电。当获取的能量足 够时，标签芯片被激活，并根据阅读 器的询问指令完成相应的动作，将芯 片上存储的标签信息通过反向散射调 制的方法反射给阅读器。每个标签具 有唯一的电子编码，用于对附着物体的 标识。标签能够贮存有关物体的数据 信息，一般约1k bits。在RFID管理系 统中，每一个标签中对应着一个物体
6、的属性、状态、编号等信息。标签通 常安装在物体表面，具有一定的无金 属遮挡的视角。标签除了能被读取 (Read )外，也可以被写入(write)或杀 死(kill) 0阅读器由阅读器主机及阅读器天 线组成。阅读器主机主要实现读取信 号的控制及射频信号的产生。产生的 射频信号通过阅读器天线发射给标 签。标签的反射信号也通过阅读器天 线接收，并被阅读器主机解析与识别。 阅读器一般有固定式与手持式两种形 式。固定式的体积较大，但性能一般比 较好；手持式的体积较小，便于手持 读取，但性能要差些。至于是采用固定 式还是手持式阅读器，需要根据实际 应用的需要进行选择。1.2 RFID标签分类RFID标签可
7、以按照能量获取的方 法来分，也可以按照射频频率来分。按 照能量获取的方法不同可以分为无源 标签、有源标签及半有源标签；按照射 频频率的不同可以分为低频标签、高 频标签或超高频标签。超高频无源RFID技术由于读取距 离较远、成本较低、读取速率快等诸 多优势而被广泛关注。但是，超高频盯 ID技术目前许多应用尚不成熟。其原 因不完全在于稍高的成本，很大程度 上是由于标签对于各种不同商品的适 用性以及不同环境的适应性上存在的 技术问题造成的。在RF ID的应用上 没有“千篇一律” 的标签，所以开发 和生产各种用途的标签是解决问题的 关键。其中，金属物体对超高频RF ID 标签性能的影响很大。超高频 R
8、F ID 抗金属标签是一种专门针对金属物体 而使用的无源超高频 RF ID标签。也 称为金属标签、防金属标签或金属附 着型电子标签。对于普通无源超高频 标签，当其贴在金属表面时，由于标 签天线的阻抗匹配、辐射效率、方向 性都发生了改变20,标签的读取距 离迅速降低，甚至难以被读取。因此， 需要对其进行特殊处理或采用特殊标 签，以使其可以在金属表面应用。 一般有三种解决办法：1 .采用吸波材料贴于金属表面克服 金属的反射效果。2 .将标签垫高一定高度，减小金属 的边界条件影响。3 .采用专门的抗金属标签天线设 计方法。超高频RF ID抗金属标签天线的设计 目标如下：1 .标签具有较好的抗金属能力
9、，不 受金属边界条件的影响。标签在不同 大小的金属物体表面具有稳定的性能。2 .标签的性能优良，具有较远的 读取距离。超高频RF ID技术的优点 即在于标签具有较远的读取距离。因 此，抗金属标签不能以牺牲读取距离 为代价。3 .标签的方向性好，最好在金属表 面上半球具有全向特性，这样阅读器 在不同的角度都能准确读取到标签。4 .标签的轮廓小巧。为了满足实际 应用的需要，要求标签天线的面积尽可能小，厚度尽可能薄。5 .标签的成本低廉。成本低廉一方 面要求标签的材料廉价，另一方面要 求天线的加工制作工艺简单。天线的 加工制作工艺的简单则要求天线具有 简单的平面结构。1.3国内外研究现状超高频RF
10、ID标签的研究是随着 超高频盯ID产业的逐渐成熟而兴起的 主要研究成果集中于近五年的时间 内。就研究内容而言，主要集中于超高 频盯ID标签芯片的设计、超高频RFID 标签的基础理论、超高频 RFID标签 的性能分析及超高频 RFID标签的大 线设计。在超高频 RFID标签的研究 范畴中，超高频RFID抗金属标签的 研究引人关注，而且已经成为RFID标 签研究的一个热点。超高频RF ID抗 金属标签的研究主要包括两个部分：一，普通偶极子RFID标签的性能受 金属环境的影响；二，满足各种要求 的超高频RFID抗金属标签天线的设 计。2.金属表面对类偶极子超高频RFID标签的影响分析研究金属物体对标
11、签天线的影响， 首先要考虑天线靠近金属时金属表面 电磁场的特性。根据电磁感应定理， 这时金属表面附近的磁场分布会发 生“畸变”，磁力线趋于平缓，在很 近的区域内几乎平行于金属表面，使 得金属表面附近的磁场只存在切向的 分量而没有法向的分 量，因此天线将 无法通过切割磁力线来获得电磁场能 量，无源电子标签则失去正常工作的能力。另一方面，当天线靠近金属时， 其内部产生涡流的同时还会吸收射频 能量转换成自身的电场能，使原有射 频场强的总能量急剧减弱。而上述涡 流也会产生自身的感应 磁场，该场的 磁力线垂直于金属表面且方向与射频 场相反并对读写器产生的磁场起到反 作用，致使金属表面的磁场大幅度衰 减，
12、使得标签与读写器之间通信受阻。 另外，金属还会引起额外的寄生电容 即金属引起的电磁摩擦造成能源损 耗，使得标签天线与读写器失谐，破 坏RFID系统的性能。2.1标签天线的性能参数对于超高频RFID标签而言，最大 读取距离是其最为重要的性能指标，它指的是标签在标准功率的阅读器测 试下能够被读取到的最大距离.由第 二章介绍白超高频 RFID标签理论基 础可知，超高频RFID标签的最大读取 距离可以表示为：二 -RGtG；rmax 14 二 Pth(2.(1)其中九为自由空间波长，P为阅 读器输出功率，G为阅读器天线增益 G为标签天线增益，Pth为标签芯片的 阂值能量，1为标签天线与芯片之间 的功率
13、传输系数。如果标签芯片的阻抗为 Zc = Rc jX c, 标签天线白阻抗为Za = R+jX a。那么 功率传输系数T可以表示为：4RaRca =00 t 1 -Za+Zc，a C(2.(2)对于标签天线的增益 Gr ,由增益 及方向性的定义可得：Gr =Drer(2.(3)其中,Dr为标签天线的方向性, er为标签天线的辐射效率。对于同一 个超高频RFID测试系统,阅读器的输 出功率P、阅读器天线的增益Gt、标签芯片的阂值能量R都不会变化。所以当超高频RFID标签贴在金属附近 时，标签的最大读距离主要是受标签 天线功率传输系数七、标签天线方向性Dr及标签天线辐射效率er的影响。因此，可以通
14、过标签天线功率传 输系数7、标签天线方向性Dr及标签天线辐射效率er来定性、定量地分析 金属表面对标签性能的影响。2. 2性能参数受金属边界的影响当超高频RFID标签贴于金属表 面时，导致标签性能变差的主要因素 是金属边界条件使得阅读器询问信号 的反射波与入射波的相位相反，从而 导致能量被抵消，标签难以获得足够 的能量激活标签芯片。当入射波垂直 于金属表面时，由于反射波与入射波 正好相差180电场分量在金属表面呈驻波分布，如图2 .1所示。由图可知, 标签与金属边界的距离为零处电场的 强度最小，距离为0.25九处电场的强度 最大。换而言之，当标签直接贴在金属 表面时，能够获得的能量几乎为零，而
15、当放在距离金属表面0.25人处，能够获得的能量是最大的。因此，当标签 天线直接贴于金属表面时，由于边界 条件的影响标签天线的辐射效率严重 衰减。图2.1除了标签天线辐射效率受到影响外 标签天线的阻抗匹配也会变差 ，从而 导致天线与芯片的功率传输系数减 小。天线阻抗的变化一方面是由于大 线辐射电阻的减小，另一方面是由于 金属表面对天线会产生加感的影响。 由金属边界条件导致的辐射效率的减 小某种程度上可以采用吸波材料来克 服，但金属表面对天线的加感的影响 则无法消除。与天线辐射效率及功率 传输系数都受到金属边界削弱相比，天线的方向性影响不大。根据基本大 线原理，对一个偶极子天线而言，金 属表面相当
16、于一个平面反射器。偶极 子天线只要不是完全贴在金属表面上， 那么天线的方向性或增益比自由空间 更高。普通九/ 2偶极子天线和金属平面反射器的距离与天线增益的关系如图2.2所示。即使当标签距离金属平面很 近，标签的增益也是可观的。由于增益 是方向性与辐射效率的乘积，而辐射 效率在天线非常靠近金属平面时是很 小的，则说明当天线贴近金属平面时 天线的方向性仍然比较大。当标签大线距离金属平面 即2时，天线的增益减小至零。从电场的驻波分布图可知天线在距离金属平面九/2处辐射效率几乎为零。为2,且法线方向上天线的增益衰减 比较严重。辐射方向图与天线方向性 具有较好的一致性。做用与对于理解标签的再而距离的增加
