RFID标签天线设计技术与优化实践

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1、超高频RFID标签天线设计技术与优化实践航天信息股份有限公司金卡事业部金青松摘要：根据国家863计划“先进制造技术领域射频识别（RFID）技术与应用重大项目”2006年度相应课题要求，本文通过讨论被动式射频识别标签,并基于一个实用的应用对象的UHF标签天线设计方案——仓库货箱跟踪应用，研究不同电介特性、机械特性等因素对标签天线性能的影响，以及不同应用背景的标签天线结构，标签天线的等效电路模型及其模型参数的提取方法、设计要求等,归纳出一个一般的设计处理和测量技术，为RFID标签天线结构优化、快速设计提供技术支撑；以及通过研究天线的电磁场建模及快速求解算

2、法，标签天线的校准和测试方法，提出标签天线的匹配特性和方向图测试方案，为RFID标签天线设计和大批量生产提供验证手段。关键词：RFID标签天线，被动调制反向散射，应答器，前言：RFID是一个应用RF信号自动识别目标并快速发展的技术。现在RFID已在各种领域有很多应用，例如ETC，资产识别，零售项目管理，门禁控制，动物跟踪，车辆安全等；当前几种RFID系统标准也在使用中（ISO,Class0,Class1,andGen2）；全球还都有它自己的RFID频率分配，如RFIDUHF频段，欧洲是866–869MHz，南美和北美是902–928MHz等。自194

3、8年发表第1篇关于调制反向散射（被动RFID的基础原理）的论文开始，关于RFID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、圆片天线分析、弯曲天线优化、平面反向F天线、折叠偶极子天线等。然而很少的论文给出RFID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UHFRFID标签天线设计要求，略叙设计步骤，描叙射程测量技巧，提出标签分析性能曲线图。1概述天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信

4、号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为低频、高频、超高频及微波天线等；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、面状天线等。在RFID系统中，天线分为标签天线和读写器天线两种情况。当前的RFID系统主要集中在LF、HF(13.56MHz)、UHF和微波频段。天线的原理和设计在LF、HF和UHF频段有根本上的不同。实质上，由于在LF和HF频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和微波频段。天线具有多种不同的形式和结构，如偶级天线、双偶级天线、阵列天线、八木天线、平板天线、螺旋天线、环形天线等。其中环形天

5、线主要用于低频和高频，完成能量和数据的电磁耦合。在433MHZ，915MHZ，2.45GHZ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。2天线设计技术2.1天线参量天线参量既有作为空间器件又有作为电路器件的双重性。下图显示了一个被动RFID系统的操作。由此构成影响标签天线性能的特性参数主要有：l天线类型:l工作频率、频带宽度：l方向性增益：l极化方向：天线向周围空间辐射电磁波，电磁波由电场和磁场构成。电场的方向就是天线极化的方向。天线的极化方式有线极化（水平和垂直极化）和圆极化（左旋和右旋极化）等方式。不同的射频识别系统采用的天线

6、极化方式可能不同。有些应用可以采用线极化，但大多数场合，由于标签的方位是不可知的，所以大部分系统采用圆极化使系统对标签的方位敏感性降低。l波瓣宽度：将天线最大辐射方向2侧，辐射强度降低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，但同时天线的覆盖范围也就越小。l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50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的阻抗；一个折叠偶极子的

7、阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的20倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个40到100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。l物体的介电常数：l辐射模式：l局部结构的影响l射程：最重要的标签性能特性是射程（即标签读取距离）-----RFID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：(1)备注：-----波长----读写器传输功率----天线传输的增益-

8、---标签天线接受的增益-----供给RFID标签芯片充足能源的最小的必备功率----功率传输系数(2)备注