物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)研究報(bào)告

-.z第6章RFID中的天線技術(shù)天線技術(shù)對(duì)RFID系統(tǒng)十分重要，是決定RFID系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件。RFID天線可以分為低頻、高頻、超高頻及微波天線，每一頻段天線又分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線，不同頻段天線的構(gòu)造、工作原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用方式有很大差異，導(dǎo)致RFID天線種類繁多、應(yīng)用各異。在低頻和高頻頻段，讀寫器與電子標(biāo)簽根本都采用線圈天線。微波RFID天線形式多樣，可以采用對(duì)稱振子天線、微帶天線、陣列天線和寬帶天線等，同時(shí)微波RFID的電子標(biāo)簽較小，天線要求低造價(jià)、小型化，因此微波RFID出現(xiàn)了許多天線制作的新技術(shù)。為適應(yīng)世界*圍電子標(biāo)簽的快速應(yīng)用和不斷開展，需要提高RFID天線的設(shè)計(jì)效率，降低RFID天線的制造本錢，因此RFID天線大量使用仿真軟件進(jìn)展設(shè)計(jì)，并采用了多種制作工藝。天線仿真軟件功能強(qiáng)大，已經(jīng)成為天線技術(shù)的一個(gè)重要手段，天線仿真和測(cè)試相結(jié)合，可以根本滿足RFID天線設(shè)計(jì)的需要。RFID天線制作工藝主要有線圈繞制法、蝕刻法和印刷法，這些工藝既有傳統(tǒng)的制作方法，也有近年來(lái)開展起來(lái)的新技術(shù)，天線制作的新工藝可使RFID天線制作本錢大大降低，走出應(yīng)用本錢瓶頸，并促進(jìn)RFID技術(shù)進(jìn)一步開展。6.1RFID天線的應(yīng)用及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀RFID在不同的應(yīng)用環(huán)境中使用不同的工作頻段，因此需要采用不同的天線通信技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線交換。按照現(xiàn)在RFID系統(tǒng)的工作頻段，天線可以分為低頻LF、高頻HF、超高頻UHF及微波天線，不同頻段天線的工作原理不同，使得不同天線的設(shè)計(jì)方法也有本質(zhì)的不同。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線，這兩種天線按方向性可分為全向天線和定向天線等；按外形可分為線狀天線和面狀天線等；按構(gòu)造和形式可分為環(huán)形天線、偶極天線、雙偶極天線、陣列天線、八木天線、微帶天線和螺旋天線等。在低頻和高頻頻段，RFID系統(tǒng)主要采用環(huán)形天線，用以完成能量和數(shù)據(jù)的電感耦合；在433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz的微波頻段，RFID系統(tǒng)可以采用的天線形式多樣，用以完成不同任務(wù)。RFID天線的應(yīng)用現(xiàn)狀影響RFID天線應(yīng)用性能的參數(shù)主要有天線類型、尺寸構(gòu)造、材料特性、本錢價(jià)格、工作頻率、頻帶寬度、極化方向、方向性、增益、波瓣寬度、阻抗問題和環(huán)境影響等，RFID天線的應(yīng)用需要對(duì)上述參數(shù)加以權(quán)衡。1．RFID天線應(yīng)用的一般要求〔1〕電子標(biāo)簽天線。一般來(lái)講，RFID電子標(biāo)簽天線需要滿足如下條件。RFID天線必須足夠小，以至于能夠附著到需要的物品上。RFID天線必須與電子標(biāo)簽有機(jī)地結(jié)合成一體，或貼在外表，或嵌入到物體內(nèi)部。RFID天線的讀取距離依賴天線的方向性，一些應(yīng)用需要標(biāo)簽具備特定的方向性，例如有全向或半球覆蓋的方向性，以滿足零售商品跟蹤等的需要。RFID天線提供最大可能的信號(hào)給多種標(biāo)簽的芯片。無(wú)論物品在什么方向，RFID天線的極化都能與讀寫器的詢問信號(hào)相匹配。RFID天線具有應(yīng)用的靈活性。電子標(biāo)簽可能被用在高速的傳輸帶上，此時(shí)有多普勒頻移，天線的頻率和帶寬要不影響RFID工作。電子標(biāo)簽在讀寫器讀取區(qū)域的時(shí)間很少，要求有很高的讀取速率，所以RFID系統(tǒng)必須保證標(biāo)簽識(shí)別的快速無(wú)誤。RFID天線具有應(yīng)用的可靠性。RFID標(biāo)簽必須可靠，并保證因溫度、濕度、壓力和在標(biāo)簽插入、印刷和層壓處理中的存活率。RFID天線的頻率和頻帶。頻率和頻帶要滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽期望的工作頻率帶寬依賴于標(biāo)簽使用地的規(guī)定。RFID天線具有魯棒性。RFID天線非常廉價(jià)。RFID標(biāo)簽天線必須是低本錢，這約束了天線構(gòu)造和根據(jù)構(gòu)造使用的材料。標(biāo)簽天線多采用銅、鋁或銀油墨?！?〕讀寫器天線。讀寫器天線即可以與讀寫器集成在一起，也可以采用別離式。對(duì)于遠(yuǎn)距離系統(tǒng)，天線和讀寫器采取別離式構(gòu)造，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。讀寫器天線設(shè)計(jì)要求低剖面、小型化。讀寫器由于構(gòu)造、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化開展。讀寫器天線設(shè)計(jì)要求多頻段覆蓋。對(duì)于別離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設(shè)計(jì)問題。目前國(guó)際上已經(jīng)開場(chǎng)研究讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣。2．RFID天線的極化不同的RFID系統(tǒng)采用的天線極化方式不同。有些應(yīng)用可以采用線極化，例如在流水線上，這時(shí)電子標(biāo)簽的位置根本上是固定不變的，電子標(biāo)簽的天線可以采用線極化方式。但在大多數(shù)場(chǎng)合，由于電子標(biāo)簽的方位是不可知的，所以大局部RFID系統(tǒng)采用圓極化天線，以使RFID系統(tǒng)對(duì)電子標(biāo)簽的方位敏感性降低。3．RFID天線的方向性RFID系統(tǒng)的工作距離，主要與讀寫器給電子標(biāo)簽的供電有關(guān)。隨著低功耗電子標(biāo)簽芯片技術(shù)的開展，電子標(biāo)簽的工作電壓不斷降低，所需功耗很小，這使得進(jìn)一步增大系統(tǒng)工作距離的潛能轉(zhuǎn)移到天線上，這就要求有方向性較強(qiáng)的天線。如果天線波瓣寬度越窄，天線的方向性越好，天線的增益越大，天線作用的距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)，但同時(shí)天線的覆蓋*圍也就越小。4．RFID天線的阻抗問題為了以最大功率傳輸，芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來(lái)，天線設(shè)計(jì)多采用50或75的阻抗匹配，但是可能還有其他情況。例如，一個(gè)縫隙天線可以設(shè)計(jì)幾百歐姆的阻抗；一個(gè)折疊偶極子的阻抗可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的幾倍；印刷貼片天線的引出點(diǎn)能夠提供一個(gè)40～100的阻抗*圍。5．RFID的環(huán)境影響電子標(biāo)簽天線的特性，受所標(biāo)識(shí)物體的形狀和電參數(shù)影響。例如，金屬對(duì)電磁波有衰減作用，金屬外表對(duì)電磁波有反射作用，彈性襯底會(huì)造成天線變形等，這些影響在天線設(shè)計(jì)與應(yīng)用中必須加以解決。以在金屬物體外表使用天線為例，目前有價(jià)值的解決方案有兩個(gè)，一個(gè)是從天線的形式出發(fā)，采用微帶貼片天線或倒F天線等，另一個(gè)是采用雙層介質(zhì)、介質(zhì)覆蓋或電磁帶隙等RFID天線的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線，這兩種天線的設(shè)計(jì)要求和面臨的技術(shù)問題是不同的。1．RFID電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片，這需要仔細(xì)設(shè)計(jì)天線和自由空間的匹配，以及天線與標(biāo)簽芯片的匹配。當(dāng)工作頻率增加到微波波段，天線與電子標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。一直以來(lái)，電子標(biāo)簽天線的開發(fā)是基于50或者75輸入阻抗，而在RFID應(yīng)用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準(zhǔn)確測(cè)試，缺少準(zhǔn)確的參數(shù)，天線的設(shè)計(jì)難以到達(dá)最正確。電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)還面臨許多其他難題，如相應(yīng)的小尺寸要求，低本錢要求，所標(biāo)識(shí)物體的形狀及物理特性要求，電子標(biāo)簽到貼標(biāo)簽物體的距離要求，貼標(biāo)簽物體的介電常數(shù)要求，金屬外表的反射要求，局部構(gòu)造對(duì)輻射模式的影響要求等，這些都將影響電子標(biāo)簽天線的特性，都是電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)面臨的問題。2．RFID讀寫器天線的設(shè)計(jì)對(duì)于近距離RFID系統(tǒng)〔如13.56MHz小于10cm的識(shí)別系統(tǒng)〕，天線一般和讀寫器集成在一起；對(duì)于遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)〔如UHF頻段大于3m的識(shí)別系統(tǒng)〕，天線和讀寫器常采取別離式構(gòu)造，并通過阻抗匹配的同軸電纜將讀寫器和天線連接到一起。讀寫器由于構(gòu)造、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且讀寫器產(chǎn)品朝著小型化甚至超小型化開展，使得讀寫器天線的設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。讀寫器天線設(shè)計(jì)要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對(duì)于別離式讀寫器，還將涉及天線陣的設(shè)計(jì)問題，小型化帶來(lái)的低效率、低增益問題等，這些目前是國(guó)內(nèi)外共同關(guān)注的研究課題。目前已經(jīng)開場(chǎng)研究讀寫器應(yīng)用的智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序，通過智能天線使系統(tǒng)能夠感知天線覆蓋區(qū)域的電子標(biāo)簽，增大系統(tǒng)覆蓋*圍，使讀寫器能夠判定目標(biāo)的方位、速度和方向信息，具有空間感應(yīng)能力。3．RFID天線的設(shè)計(jì)步驟RFID電子標(biāo)簽天線的性能，很大程度依賴于芯片的復(fù)數(shù)阻抗，復(fù)數(shù)阻抗是隨頻率變換的，因此天線尺寸和工作頻率限制了最大可到達(dá)的增益和帶寬，為獲得最正確的標(biāo)簽性能，需要在設(shè)計(jì)時(shí)做折衷，以滿足設(shè)計(jì)要求。在天線的設(shè)計(jì)步驟中，電子標(biāo)簽的讀取*圍必須嚴(yán)密監(jiān)控，在標(biāo)簽構(gòu)成發(fā)生變更或不同材料不同頻率的天線進(jìn)展性能優(yōu)化時(shí)，通常采用可調(diào)天線設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)計(jì)允許的偏差。設(shè)計(jì)RFID天線時(shí)，首先選定應(yīng)用的種類，確定電子標(biāo)簽天線的需求參數(shù)；然后根據(jù)電子標(biāo)簽天線的參數(shù)，確定天線采用的材料，并確定了電子標(biāo)簽天線的構(gòu)造和ASIC封裝后的阻抗；最后采用優(yōu)化的方式，使ASIC封裝后的阻抗與天線匹配，綜合仿真天線的其他參數(shù)，讓天線滿足技術(shù)指標(biāo)，并用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)。RFID電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)步驟如圖6.1所示。很多天線因?yàn)槭褂铆h(huán)境復(fù)雜，使得RFID天線的解析方法也很復(fù)雜，天線通常采用電磁模型和仿真工具來(lái)分析。天線典型的電磁模型分析方法為有限元法FEM、矩量法MOM和時(shí)域有限差分法FDTD等。仿真工具對(duì)天線的設(shè)計(jì)非常重要，是一種快速有效的天線設(shè)計(jì)工具，目前在天線技術(shù)中使用越來(lái)越多。典型的天線設(shè)計(jì)方法，首先是將天線模型化，然后將模型仿真，在仿真中監(jiān)測(cè)天線射程、天線增益和天線阻抗等，并采用優(yōu)化的方法進(jìn)一步調(diào)整設(shè)計(jì)，最后對(duì)天線加工并測(cè)量，直到滿足要求。6.2低頻和高頻RFID天線技術(shù)在低頻和高頻頻段，讀寫器與電子標(biāo)簽根本都采用線圈天線，線圈之間存在互感，使一個(gè)線圈的能量可以耦合到另一個(gè)線圈，因此讀寫器天線與電子標(biāo)簽天線之間采用電感耦合的方式工作。讀寫器天線與電子標(biāo)簽天線是近場(chǎng)耦合，電子標(biāo)簽處于讀寫器的近區(qū)，當(dāng)超出上述*圍時(shí)，近場(chǎng)耦合便失去作用，開場(chǎng)過渡到遠(yuǎn)距離的電磁場(chǎng)。當(dāng)電子標(biāo)簽逐漸遠(yuǎn)離讀寫器，處于讀寫器的遠(yuǎn)區(qū)時(shí)，電磁場(chǎng)將擺脫天線，并作為電磁波進(jìn)入空間。本節(jié)所討論的低頻和高頻RFID天線，是基于近場(chǎng)耦合的概念進(jìn)展設(shè)計(jì)。低頻和高頻RFID天線的構(gòu)造和圖片低頻和高頻RFID天線可以有不同的構(gòu)成方式，并可以采用不同的材料。圖6.2所示為幾種實(shí)際RFID低頻和高頻天線的圖片，由這些圖片可以看出各種RFID天線的構(gòu)造，同時(shí)這些圖片還給出了與天線相連的芯片。由圖6.2可以看出，低頻和高頻RFID天線有如下特點(diǎn)?！?〕天線都采用線圈的形式。〔2〕線圈的形式多樣，可以是圓形環(huán)，也可以是矩形環(huán)。〔3〕天線的尺寸比芯片的尺寸大很多，電子標(biāo)簽的尺寸主要是由天線決定的?！?〕有些天線的基板是柔軟的，適合粘帖在各種物體的外表?！?〕由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽，可以比拇指還小?！?〕由天線和芯片構(gòu)成的電子標(biāo)簽，可以在條帶上批量生產(chǎn)。低頻和高頻RFID天線的磁場(chǎng)安培從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出，電流在周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)。電流周圍磁場(chǎng)的存在方式，與電流的分布有關(guān)，不同的電流分布，在周圍會(huì)產(chǎn)生不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度。1．直線周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)根據(jù)安培定律，長(zhǎng)直電流周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為：

式〔6.3〕中，R為線圈的半徑，Z為在線圈中心軸線上距線圈圓心的距離，I為圓形線圈上的電流，N為圓形線圈的圈數(shù)。"短圓柱形線圈"的構(gòu)造和在周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖6.4所示。

3．矩形線圈周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)有些低頻和高頻RFID天線是矩形線圈構(gòu)造，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)沿線圈軸離開線圈Z時(shí)，矩形線圈構(gòu)造在軸線產(chǎn)生的磁場(chǎng)為

式〔6.6〕中，a和b為矩形線圈的兩個(gè)邊長(zhǎng)，Z為在線圈中心軸線上距線圈中心的距離，i為矩形上線圈的電流，N為矩形線圈的圈數(shù)。計(jì)算結(jié)果證實(shí)，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)沿線圈軸Z離開線圈時(shí)，如果及，即在與線圈的距離較近時(shí)，磁場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎不變。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)沿線圈軸離開線圈較大時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減比較急劇。低頻和高頻RFID天線的最正確尺寸線圈天線的最正確尺寸，是指線圈上的電流I為常數(shù)，且與天線的距離Z為常數(shù)時(shí)，線圈的尺寸與磁場(chǎng)的關(guān)系。下面以圓環(huán)形線圈為例，討論線圈的最正確尺寸。為從數(shù)學(xué)上討論最大磁場(chǎng)與線圈尺寸的關(guān)系，需要對(duì)式〔6.3〕中的磁場(chǎng)求導(dǎo)，計(jì)算出磁場(chǎng)的拐點(diǎn)。計(jì)算的結(jié)果說(shuō)明，最大磁場(chǎng)與線圈尺寸的關(guān)系為：

因?yàn)槌叽绾驼{(diào)諧的要求，偶極子天線采用彎曲構(gòu)造是一個(gè)自然的選擇。彎曲允許天線緊湊，并提供了與彎曲軸垂直平面上的全向性能。為更好控制天線電阻，增加了一個(gè)同等寬度的載荷棒作為彎曲輪廓；為供給芯片一個(gè)好的電容性阻抗，需進(jìn)一步彎曲截面；彎曲輪廓的長(zhǎng)度和載荷棒可以變更，以獲得適宜的阻抗匹配。彎曲天線有幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，如載荷棒寬度、距離、間距、彎曲步幅寬度和彎曲步幅高度等，如圖6.7所示。通過調(diào)整上述參數(shù)，可以改變天線的增益和阻抗，并改變電子標(biāo)簽的諧振、最高射程和帶寬。圖6.8給出了一種最高射程與頻率的曲線關(guān)系。

〔點(diǎn)擊查看大圖〕圖6.8

電子標(biāo)簽最高射程與頻率的曲線關(guān)系2．微帶天線微波RFID常采用微帶天線。微帶天線是平面型天線，具有小型化、易集成、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，可以做成共形天線，易于形成圓極化，制作本錢低，易于大量生產(chǎn)。微帶天線按構(gòu)造特征分類，可以分為微帶貼片天線和微帶縫隙天線兩大類；微帶天線按形狀分類，可以分為矩形、圓形和環(huán)形微帶天線等；微帶天線按工作原理分類，可以分成諧振型〔駐波型〕和非揩振型〔行波型〕微帶天線。下面將微帶天線分為3種根本類型進(jìn)展討論，這3種類型分別是微帶駐波貼片天線、微帶行波貼片天線和微帶縫隙天線?！?〕微帶駐波貼片天線。微帶貼片天線〔MPA〕是由介質(zhì)基片、在基片一面上任意平面幾何形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。貼片形狀可以是多種多樣的，實(shí)際應(yīng)用中由于*些特殊的性能要求和安裝條件的限制，必須用到*種形狀的微帶貼片天線，為使微帶天線適用于各種特殊用途，對(duì)各種幾何形狀的微帶貼片天線進(jìn)展分析就具有相當(dāng)?shù)闹匾?。各種微帶貼片天線的貼片形狀如圖6.9所示?！?〕微帶行波貼片天線。微帶行波天線〔MTA〕是由基片、在基片一面上的鏈形周期構(gòu)造或普通的長(zhǎng)TEM波傳輸線和基片另一面上的地板組成。TEM波傳輸線的末端接匹配負(fù)載，當(dāng)天線上維持行波時(shí)，可從天線構(gòu)造設(shè)計(jì)上使主波束位于從邊射到端射的任意方向。各種微帶行波天線的形狀如圖6.10所示。

圖6.9

各種微帶貼片天線的貼片形狀〔3〕微帶縫隙天線。微帶縫隙天線由微帶饋線和開在地板上的縫隙組成，微帶縫隙天線是把接地板刻出窗口即縫隙，而在介質(zhì)基片的另一面印刷出微帶線對(duì)縫隙饋電，縫隙可以是矩形〔寬的或窄的〕、圓形或環(huán)形。各種微帶縫隙天線的形狀如圖6.11所示。

微波RFID天線的設(shè)計(jì)〔2〕〔4〕微帶天線的工作原理。微帶天線進(jìn)展工程設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)天線的性能參數(shù)〔例如方向圖、方向性系數(shù)、效率、輸入阻抗、極化和頻帶等〕預(yù)先估算，這將大大提高天線研制的質(zhì)量和效率，降低研制的本錢。這種理論工作的開展，帶來(lái)了多種分析微帶天線的方法，例如傳輸線、腔模理論、格林函數(shù)法、積分方程法和矩量法等。用上述各種方法計(jì)算微帶天線的方向圖，其結(jié)果根本是一致的，特別是主波束。大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此可以用微帶天線或同軸線饋電。因?yàn)樘炀€輸入阻抗不等于通常的50傳輸線阻抗，所以需要匹配。矩形微帶天線的饋電方式根本上分成側(cè)饋和背饋兩種，不管哪種饋電方式，其諧振輸入電阻Rin很大，為使Rin與50饋電系統(tǒng)相匹配，阻抗變換器是不可少的。為實(shí)現(xiàn)匹配，輸入阻抗的大小必須知道，匹配可由適中選擇饋電的位置來(lái)做到，但是饋電的位置也影響輻射特性。很多微帶天線接近開路狀態(tài)，因此限制了天線的阻抗頻帶，為了使頻帶加寬，可增加基片的厚度，或減小基片的εr值。微帶陣列天線的方向函數(shù)由兩個(gè)因子組成，其中一個(gè)為根本元天線的方向函數(shù)，另一個(gè)就是長(zhǎng)度為L(zhǎng)的等幅同相連續(xù)陣的陣因子，如果改變介質(zhì)板的厚度、介電常數(shù)和微帶貼片的寬度等，就從根本上改變了微帶傳輸線上的波形。從對(duì)方向圖影響的角度來(lái)看，赤道面上方向圖影響不大，但在子午面上方向圖影響明顯，前傾的半圓形方向圖可能會(huì)變成橫8字型方向圖。3．陣列天線陣列天線是一類由不少于兩個(gè)天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列，并通過適當(dāng)鼓勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性的天線。就發(fā)射天線來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的輻射源比方點(diǎn)源、對(duì)稱振子源是常見的，陣列天線是將它們按照直線或者更復(fù)雜