射频识别系统中电子标签天线的设计与测试分析

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射频识别技术是一种非接触的自动识别技术。它是由电子标签(Tag/Transponder)、读写器(Reader/Interrogator)及中间件(Middle-Ware)~部分组成的一种短距离无线通信系统。射频识别中的标签是射频识别标签芯片和标签天线的结合体。

标签根据其工作模式不同而分为主动标签和被动标签。主动标签自身携带电池为其提供读写器通信所需的能量:被动标签则采用感应耦合或反向散射工作模式,即通过标签天线从读写器中发出的电磁场或者电磁波获得能量激活芯片,并调节射频识别标签芯片与标签天线的匹配程度,将储存在标签芯片中的信息反馈给读写器。

因此。射频识别标签天线的阻抗必须与标签芯片的输入阻抗共轭匹配,以使得标签芯片能够最大限度地获得射频识别读写器所发出的电磁能量。此外,标签天线设计时还必须考虑电子标签所应用的场合,如应用在金属物体表面的标签天线和应用在普通物体表面的标签天线在天线的结构和选材上存有很大的差别。适合于多种芯片、低成本、多用途的标签天线是射频识别在我国得到广泛普及的关键技术之一。

射频识别系统与天线分类

对于采用被动式标签的射频识别系统而言,根据工作频段的不同具有两种工作模式。一种是感应耦合(Induc.TIveCoupling)T作模式,这种模式也称为近场工作模式,它主要适用用于低频和高频RFID系统:另一种则是反向散射(Backscattering)32作模式,这种模式也称为远场T作模式,主要适用于超高频和微波RFID系统。

感应耦合模式主要是指读写器天线和标签天线都采用线圈形式。当读写器在阅读标签时,发出未经调制的信号。处于读写器天线近场的电子标签天线接收到该信号并激活标签芯片之后,由标签芯片根据内部存储的全球唯一的识别号(ID)控制标签天线中的电流大小。这个电流的大小进一步增强或者减小阅读器天线发出的磁场。这时,读写器的近场分量展现出被调制的特性,读写器内部电路检钡0到这个由于标签而产生的调制量并解调并得到标签信息。

在反向散射T作模式中,读写器和电子标签之间采用电磁波来进行信息的传输。当读写器对标签进行阅读识别时,首先发出未经调制的电磁波,此时位于远场的电子标签天线接收到电磁波信号并在天线上产生感应电压,电子标签内部电路将这个感应电压进行整流并放大用于激活标签芯片。

当标签芯片激活之后,用自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行变化,当电子标签芯片的阻抗和标签芯片之间的阻抗匹配较好时则基本不反射信号,而阻抗匹配不好时则将几乎全部反射信号。这样反射信号就出现了振幅的变化,这种情况类似于对反射信号进行幅度调制处理。读写器通过接收到经过调制的反射信号判断该电子标签的标识号并进行识别。这类天线主要包括微带天线、平面偶极子天线和环形天线。图二是我们研制的能工作于多种识别环境下的UHF电子标签天线。

电子标签天线的设计与测试

如前所述,作于低频与高频的射频识别系统采用感应耦合模式进行通信,所以T作于这两个频段的读写器与电子标签都采用线圈形式的天线。T作在这两个频段的射频识别系统都受制于近场作用的范围,从而导致其识别距离较短。根据目前的情况来看,采用近场通信的射频识别系统最大的识别距离小于1米。

由于低频和高频频段的射频识别系统采用的是电磁场耦合模式,所以系统中的天线都采用线圈形式。采用这种形式的主要原因如下:

1.电磁场的耦合在线圈之间比较紧密:

2.天线采用线圈的形式进一步减小了天线的体积进而减小了标签的体积:

3.标签芯片的特性要求标签天线具有一定的电抗。

在超高频和微波波段时,电子标签和读写器之间的通信采用反向散射工作方式。这时候,连接电子标签和读写器之间的桥梁不再是近磁场而是电磁波。此时,被动型电子标签处于读写器的电磁波远场中。根据频带的波长和天线的口径可以计算出该频带**频识别系统的远场和读写器之间的距离。

一般来说,被动性标签在超高频范围内的丁作距离可达10米左有,根据现有资料来看。工作于微波波段(主要指2.45GHz)的被动标签工作距离仅为1米左右。所以目前采用反向散射下作模式的射频识别系统主要使用位于860~960MHz的超高频频段。

在由被动型标签天线组成的射频识别系统中,标签需要从渎写器产生的电磁场或者电磁波中获取能量激活标签芯片。所以在电子标签中有一部分电路专门用于检测标签天线上的感生电动势或者感应电压,并通过二极管电路进行整流并经过其他电路进行电压放大等等。这些电路被集成存标签芯片内部。

当芯片进行封装时通常还会引入一部分分布式电容。但是,天线设计本身并不需要知道芯片中的具体电路而只需要掌握芯片和经过封装之后的芯片阻抗,并利用最大能量传递的法则设计天线的输入阻抗。

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