射頻識別系統(tǒng)中電子標簽天線的設(shè)計與測試分析

射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)。它是由電子標簽（Tag/Transponder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無線通信系統(tǒng)。射頻識別中的標簽是射頻識別標簽芯片和標簽天線的結(jié)合體。標簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動標簽和被動標簽。主動標簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量：被動標簽則采用感應(yīng)耦合或反向散射工作模式，即通過標簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識別標簽芯片與標簽天線的匹配程度，將儲存在標簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此。射頻識別標簽天線的阻抗必須與標簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標簽天線設(shè)計時還必須考慮電子標簽所應(yīng)用的場合，如應(yīng)用在金屬物體表面的標簽天線和應(yīng)用在普通物體表面的標簽天線在天線的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

射頻識別系統(tǒng)與天線分類

對于采用被動式標簽的射頻識別系統(tǒng)而言，根據(jù)工作頻段的不同具有兩種工作模式。一種是感應(yīng)耦合（Induc.TIveCoupling）T作模式，這種模式也稱為近場工作模式，它主要適用用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)：另一種則是反向散射（Backscattering）32作模式，這種模式也稱為遠場T作模式，主要適用于超高頻和微波RFID系統(tǒng)。

感應(yīng)耦合模式主要是指讀寫器天線和標簽天線都采用線圈形式。當讀寫器在閱讀標簽時，發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的信號。處于讀寫器天線近場的電子標簽天線接收到該信號并激活標簽芯片之后，由標簽芯片根據(jù)內(nèi)部存儲的全球唯一的識別號（ID）控制標簽天線中的電流大小。這個電流的大小進一步增強或者減小閱讀器天線發(fā)出的磁場。這時，讀寫器的近場分量展現(xiàn)出被調(diào)制的特性，讀寫器內(nèi)部電路檢鋇0到這個由于標簽而產(chǎn)生的調(diào)制量并解調(diào)并得到標簽信息。

在反向散射T作模式中，讀寫器和電子標簽之間采用電磁波來進行信息的傳輸。當讀寫器對標簽進行閱讀識別時，首先發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的電磁波，此時位于遠場的電子標簽天線接收到電磁波信號并在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電子標簽內(nèi)部電路將這個感應(yīng)電壓進行整流并放大用于激活標簽芯片。當標簽芯片激活之后，用自身的全球唯一標識號對標簽芯片阻抗進行變化，當電子標簽芯片的阻抗和標簽芯片之間的阻抗匹配較好時則基本不反射信號，而阻抗匹配不好時則將幾乎全部反射信號。這樣反射信號就出現(xiàn)了振幅的變化，這種情況類似于對反射信號進行幅度調(diào)制處理。讀寫器通過接收到經(jīng)過調(diào)制的反射信號判斷該電子標簽的標識號并進行識別。這類天線主要包括微帶天線、平面偶極子天線和環(huán)形天線。圖二是我們研制的能工作于多種識別環(huán)境下的UHF電子標簽天線。

電子標簽天線的設(shè)計與測試

如前所述，作于低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)采用感應(yīng)耦合模式進行通信，所以T作于這兩個頻段的讀寫器與電子標簽都采用線圈形式的天線。T作在這兩個頻段的射頻識別系統(tǒng)都受制于近場作用的范圍，從而導致其識別距離較短。根據(jù)目前的情況來看，采用近場通信的射頻識別系統(tǒng)最大的識別距離小于1米。

由于低頻和高頻頻段的射頻識別系統(tǒng)采用的是電磁場耦合模式，所以系統(tǒng)中的天線都采用線圈形式。采用這種形式的主要原因如下：

1.電磁場的耦合在線圈之間比較緊密：

2.天線采用線圈的形式進一步減小了天線的體積進而減小了標簽的體積：

3.標簽芯片的特性要求標簽天線具有一定的電抗。

在超高頻和微波波段時，電子標簽和讀寫器之間的通信采用反向散射工作方式。這時候，連接電子標簽和讀寫器之間的橋梁不再是近磁場而是電磁波。此時，被動型電子標簽處于讀寫器的電磁波遠場中。根據(jù)頻帶的波長和天線的口徑可以計算出該頻帶**頻識別系統(tǒng)的遠場和讀寫器之間的距離。一般來說，被動性標簽在超高頻范圍內(nèi)的丁作距離可達10米左有，根據(jù)現(xiàn)有資料來看。工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被動標簽工作距離僅為1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射頻識別系統(tǒng)主要使用位于860～960MHz的超高頻頻段。

在由被動型標簽天線組成的射頻識別系統(tǒng)中，標簽需要從瀆寫器產(chǎn)生的電磁場或者電磁波中獲取能量激活標簽芯片。所以在電子標簽中有一部分電路專門用于檢測標簽天線上的感生電動勢或者感應(yīng)電壓，并通過二極管電路進行整流并經(jīng)過其他電路進行電壓放大等等。這些電路被集成存標簽芯片內(nèi)部。當芯片進行封裝時通常還會引入一部分分布式電容。但是，天線設(shè)計本身并不需要知道芯片中的具體電路而只需要掌握芯片和經(jīng)過封裝之后的芯片阻抗，并利用最大能量傳遞的法則設(shè)計天線的輸入阻抗。