论文部分内容阅读
摘要：随着物联网行业的发展，射频识别技术（RFID）开始在各领域得到广泛应用。天线作为RFID系统中的重要组成部分，一直是相关学者的研究热点。本文从RFID系统的构成及其基本原理出发，分析了RFID系统天线的设计难点，设计了一个简化的阅读器圆极化天线。本文设计的圆极化阅读器天线满足实际应用要求，在各应用领域都有一定的应用价值。
关键字：RFID系统；圆极化天线；标签；读写器
0前言
RFID（Radio Frequency Identification）是指射频识别技术，属于自动识别技术的一种，与传统的条形码等自动识别系统相比，RFID 技术可以很容易地实现远距离读写入，对定向性并无要求，识别过程中无需保持目标可见，甚至可以透过障碍物对数据进行读取，这决定了RFID系统可以很好地适应恶劣的环境。RFID技术还具备多个电子标签的并行处理能力，信息容量大，通过RFID标签即可实现对物体进行物理定位。因此，RFID技术在工业、商业、交通、物流、安保等各领域得到了广泛的应用。
1 RFID系统的构成及其基本原理
典型的射频识别系统主要由电子标签、读写器和数据管理系统三个部分组成。读写器主要包括天线和读写器芯片两部分。电子标签需要附着于待识别的物品上，每个电子标签都含有唯一的识别码。天线是一种可以把传输线上传播的导行波变换成在自由空间中传播的电磁波的变换器，它是无线电设备中用于收发电磁波的部件。RFID系统的天线必须在特定的频率和带宽条件下才能正常工作。RFID系统的读写器天线需要进行极化處理，例如最常用的圆极化。读写器芯片收到射频信号后首先要经过放大处理，然后对信号进行解调才能解析出标签内的信息。相反，数据管理系统可以将等发送的信息写入标签，经过编码调制由读写器天线发射出去。
2 RFID系统天线设计理论
2.1设计难点
与其它无线传输系统的天线相比，射频识别系统天线设计具有一定的特点和难点。标签天线接收到射频信号后，通常需要经过阻抗匹配处理才能完成信号的传输。读写器天线还要求低剖面、小型化、多频段，甚至需要使用多天线技术或智能波束扫描天线阵技术。另外，每个国家和地区可使用的 RFID频段是非常有限的，设计过程中还要满足阻抗带宽、轴比带宽、天线的增益等性能指标，因此RFID系统天线的拓展成了一个重要的设计难题。
2.2读写器天线
天线是射频系统的读写器发射能量的设备，能量以电磁场的形式对电子标签进行识别。可以认为，读写器天线发射的电磁场范围就是射频系统的识别范围。在实际应用中，读写器天线的设计和选择应遵守天线线圈大、阻抗匹配、足够带宽等原则。读写器天线的主要性能指标包括工作频率、频带宽度、方向性增益、极化方向、波瓣宽度等。工作频率和频带宽度要能够符合射频识别系统的频率范围要求。天线的极化方向多采用圆极化方式，因为圆极化方式可以使能量分布于所有方向，以提高系统的识别能力，降低系统对标签方位的敏感度。一般来说，波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强，但同时覆盖范围就越小，反之亦然。
2.3标签天线
目前大部分RFID系统都属于被动式标签射频识别系统，通常可以根据工作频段的不同而分为两种工作模式：一种是感应耦合工作模式，也称为近场工作模式。近场工作模式是低频和高频RFID系统的主要工作模式；另一种是反向散射工作模式，也称为远场工作模式。远场工作模式是超高频和微波RFID系统的主要工作模式。在被动式标签天线射频识别系统中，由于工艺的原因，电子标签检测电路集成过程将引入一定的分布式电容。电子标签芯片的输出阻抗一般为容性阻抗，为了达到能量的最大传递，通常将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。另一种解决方案是通过在低频和高频的射频识别系统中的被动标签天线中加入线圈，人为地引入感抗以抵消芯片中的容抗。
3读写器圆极化天线设计
在RFID应用中，读写器天线必须满足圆极化、宽带和高增益等要求。读写器天线结构如图2所示，天线主要由一个切角方形贴片、一个小的矩形贴片、还有一个L型地面构成，贴片构造在一个0.8mm的FR4板上，下面是厚度为33mm的空气介质。该结构实现了一个单层的直接馈电宽带圆极化读写器天线，进一步简化了传统天线的结构。
图2 读写器天线结构
仿真结果表明，驻波比小于1.5的带宽完全覆盖了840-960MHz整个UHF RFID频段，天线增益在UHF RFID频段之间基本在8dBi左右，满足了读写器天线对增益的要求。轴比小于3的带宽也完全覆盖了整个UHFRFID频段，该天线主要是由方形切角贴片产生圆极化波，小的寄生贴片来拓展轴比和阻抗带宽的。方形贴片是整个天线的主辐射体，改变方形贴片的尺寸可以有效的调整轴比和阻抗带宽的位置，增加L1可以使得轴比和阻抗带宽向低频方向转移，反之会向高频方向转移。
4结语
RFID系统具有巨大的应用前景和广阔的市场空间。由于天线设计需要综合考虑结构形状、尺寸大小、体积重量、实现方式、带宽特性、方向图特性、极化特性等因素，天线的设计也一直受到了相关领域人员的高度重视。近年来，超高频（840-960MHz）射频识别技术开始应用于工程领域，该技术比普通RFID具有识别距离远、识别速度快、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属材料、运用范围广等新特点，将成为未来RFID的重点发展方向之一。
参考文献：
[1]南敬昌，李锋.超高频RFID小型化读写器天线设计[J/OL].微波学报，2017，33（03）：44-47.
[2]钟亚君，吴次南.UHF RFID阅读器宽波束圆极化天线设计[J]. 现代电子技术，2017，40（05）：85-88.
[3]刘玉沙.圆极化RFID天线的研究[D].浙江大学，2015.
[4]戴彩艳，蔡坚勇13.56MHz RFID读写器天线的设计与仿真[J]. 无线电工程，2013，43（01）：42-45.
关键字：RFID系统；圆极化天线；标签；读写器
0前言
RFID（Radio Frequency Identification）是指射频识别技术，属于自动识别技术的一种，与传统的条形码等自动识别系统相比，RFID 技术可以很容易地实现远距离读写入，对定向性并无要求，识别过程中无需保持目标可见，甚至可以透过障碍物对数据进行读取，这决定了RFID系统可以很好地适应恶劣的环境。RFID技术还具备多个电子标签的并行处理能力，信息容量大，通过RFID标签即可实现对物体进行物理定位。因此，RFID技术在工业、商业、交通、物流、安保等各领域得到了广泛的应用。
1 RFID系统的构成及其基本原理
典型的射频识别系统主要由电子标签、读写器和数据管理系统三个部分组成。读写器主要包括天线和读写器芯片两部分。电子标签需要附着于待识别的物品上，每个电子标签都含有唯一的识别码。天线是一种可以把传输线上传播的导行波变换成在自由空间中传播的电磁波的变换器，它是无线电设备中用于收发电磁波的部件。RFID系统的天线必须在特定的频率和带宽条件下才能正常工作。RFID系统的读写器天线需要进行极化處理，例如最常用的圆极化。读写器芯片收到射频信号后首先要经过放大处理，然后对信号进行解调才能解析出标签内的信息。相反，数据管理系统可以将等发送的信息写入标签，经过编码调制由读写器天线发射出去。
2 RFID系统天线设计理论
2.1设计难点
与其它无线传输系统的天线相比，射频识别系统天线设计具有一定的特点和难点。标签天线接收到射频信号后，通常需要经过阻抗匹配处理才能完成信号的传输。读写器天线还要求低剖面、小型化、多频段，甚至需要使用多天线技术或智能波束扫描天线阵技术。另外，每个国家和地区可使用的 RFID频段是非常有限的，设计过程中还要满足阻抗带宽、轴比带宽、天线的增益等性能指标，因此RFID系统天线的拓展成了一个重要的设计难题。
2.2读写器天线
天线是射频系统的读写器发射能量的设备，能量以电磁场的形式对电子标签进行识别。可以认为，读写器天线发射的电磁场范围就是射频系统的识别范围。在实际应用中，读写器天线的设计和选择应遵守天线线圈大、阻抗匹配、足够带宽等原则。读写器天线的主要性能指标包括工作频率、频带宽度、方向性增益、极化方向、波瓣宽度等。工作频率和频带宽度要能够符合射频识别系统的频率范围要求。天线的极化方向多采用圆极化方式，因为圆极化方式可以使能量分布于所有方向，以提高系统的识别能力，降低系统对标签方位的敏感度。一般来说，波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强，但同时覆盖范围就越小，反之亦然。
2.3标签天线
目前大部分RFID系统都属于被动式标签射频识别系统，通常可以根据工作频段的不同而分为两种工作模式：一种是感应耦合工作模式，也称为近场工作模式。近场工作模式是低频和高频RFID系统的主要工作模式；另一种是反向散射工作模式，也称为远场工作模式。远场工作模式是超高频和微波RFID系统的主要工作模式。在被动式标签天线射频识别系统中，由于工艺的原因，电子标签检测电路集成过程将引入一定的分布式电容。电子标签芯片的输出阻抗一般为容性阻抗，为了达到能量的最大传递，通常将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭。另一种解决方案是通过在低频和高频的射频识别系统中的被动标签天线中加入线圈，人为地引入感抗以抵消芯片中的容抗。
3读写器圆极化天线设计
在RFID应用中，读写器天线必须满足圆极化、宽带和高增益等要求。读写器天线结构如图2所示，天线主要由一个切角方形贴片、一个小的矩形贴片、还有一个L型地面构成，贴片构造在一个0.8mm的FR4板上，下面是厚度为33mm的空气介质。该结构实现了一个单层的直接馈电宽带圆极化读写器天线，进一步简化了传统天线的结构。
图2 读写器天线结构
仿真结果表明，驻波比小于1.5的带宽完全覆盖了840-960MHz整个UHF RFID频段，天线增益在UHF RFID频段之间基本在8dBi左右，满足了读写器天线对增益的要求。轴比小于3的带宽也完全覆盖了整个UHFRFID频段，该天线主要是由方形切角贴片产生圆极化波，小的寄生贴片来拓展轴比和阻抗带宽的。方形贴片是整个天线的主辐射体，改变方形贴片的尺寸可以有效的调整轴比和阻抗带宽的位置，增加L1可以使得轴比和阻抗带宽向低频方向转移，反之会向高频方向转移。
4结语
RFID系统具有巨大的应用前景和广阔的市场空间。由于天线设计需要综合考虑结构形状、尺寸大小、体积重量、实现方式、带宽特性、方向图特性、极化特性等因素，天线的设计也一直受到了相关领域人员的高度重视。近年来，超高频（840-960MHz）射频识别技术开始应用于工程领域，该技术比普通RFID具有识别距离远、识别速度快、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属材料、运用范围广等新特点，将成为未来RFID的重点发展方向之一。
参考文献：
[1]南敬昌，李锋.超高频RFID小型化读写器天线设计[J/OL].微波学报，2017，33（03）：44-47.
[2]钟亚君，吴次南.UHF RFID阅读器宽波束圆极化天线设计[J]. 现代电子技术，2017，40（05）：85-88.
[3]刘玉沙.圆极化RFID天线的研究[D].浙江大学，2015.
[4]戴彩艳，蔡坚勇13.56MHz RFID读写器天线的设计与仿真[J]. 无线电工程，2013，43（01）：42-45.