RFID如何优化天线设计与应用

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RFID技术在现代物联网中扮演着越来越重要的角色，而其核心组成部分之一——天线的设计和应用，直接影响着系统的性能和应用范围。RFID标签天线根据不同的工作原理和应用需求，主要可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线两大类。近场感应线圈天线主要应用于中低频近距离系统，而远场辐射天线则适用于高频和微波频段的远距离通信。

标签天线主要分为3大类：线圈型、偶极子、缝隙(包括微带贴片)型。线圈型天线是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁心上;偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈人，天线的长度决定频率范围;缝隙型天线是由金属表面切出的凹槽构成，其中微带贴片天线由一块末端带有长方形的电路板构成，长方形的长宽决定频率范围。识别距离小于1m的中低频近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线;1m以上的高频或微波频段的远距离应用系统需要采用偶极子和缝隙型天线。

RFID标签天线的设计要求主要包括以下几种：RFID天线的物理尺寸足够小，能满足RFID标签小型化的需求;具有全向或半球覆盖的方向性;具有高增益，能提供最大的信号给RFID标签的芯片;阻抗匹配好，无论RFID标签在什么方向，RFID标签天线的极化都能与RFID读写器的信号相匹配;具有顽健性及低成本。在选择RFID天线时主要考虑：天线的类型、阻抗、应用到物品上的RFID性能和当有其他物品围绕RFID标签物品时的RFID性能。

当标签线圈天线进入RFID读写器产生的交变磁场中，RFID标签天线与RFID读写器天线之间的相互作用就类似于变压器。两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈。RFID标签和RFID读写器双向通信使用的载波频率就是当要求标签天线线圈外形很小(即面积小)，且需一定的工作距离，RFID标签与RFID读写器间的天线线圈互感量(就明显不能满足实际需求，可以在RFID标签天线线圈内部插入具有高导磁率的铁氧体材料，以增大互感量，从而补偿线圈横截面小的问题)。目前,线圈型天线的实现技术已很成熟，广泛地应用在身份识别、货物标签等RFID系统中，但是对于频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID应用场合，采用线圈型天线难以实现相应的性能指标。

偶极子天线具有辐射能力好、结构简单、效率高的优点，可以设计成适用于全方位通信的RFID系统，被广泛应用于RFID标签天线的设计，尤其是在远距离RFID系统中。传统半波偶极子天线的最大问题在于对标签尺寸的影响，如915MHz的半波偶极子。研究表明，端接的、倾斜的、折叠的偶极子天线可以通过选择合适的几何参数来获得所需的输入阻抗，具有增益高、频率覆盖宽和噪声低的优点，性能非常出色，且与传统半波偶极子天线相比尺寸要小很多，若配合铜焊电气端子和不平衡变压器，还能最大限度地提升增益、阻抗匹配和带宽。已知增加天线的弯折次数有利于在不降低天线效率的情况下减小天线尺寸，那么如何在有限的空问下进行“弯折”，“弯折”的具体参数对标签天线的谐振频率和输入阻抗有何影响?怎样“弯折”的RFID效率最高?

众所周知，具有分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点，应用到RFID天线设计上可以实现天线多频段特性和尺寸缩减特性。国内外对具有分形结构的天线做了大量研究工作，证实了分形结构的天线具有良好的尺寸缩减特性，可以在有限的空间内大幅度提高天线效率网。

对半波振子的不同位置和维度使用Hilbert分形变换，并用矩量法对Hilbert标签天线进行仿真，能得到标签天线的谐振频率和输入阻抗随分形维数和阶数不同的仿真结果，分析结果中的天线增益和效率，判断哪种维度和阶数的标签天线最符合实际标签天线的设计要求，进一步制作实体天线，并测试RFID识别距离。

缝隙天线具有低轮廓、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带与有源器件和电路集成为统一的组件等特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大降低成本。

微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体所构成，根据天线辐射特性，可以设计贴片导体为各种形状。普遍应用于频率高于100MHz的低轮廓结构，通常由一矩形或方形的金属贴片置于接地平面上的一片薄层电介质(称为基片)表面所组成，其贴片可采用光刻工艺制造，使之成本低，易于大量生产。

因此，弯折型天线有利于减小标签天线的物理尺寸，满足标签小型化的设计要求。对于缝隙天线来说，同样可以利用弯折的概念。事实上，弯折缝隙天线适用于高频微波段的RFID标签，能有效减小天线尺寸，性能优，具有广阔的市场前景。研究方法和弯折偶极子天线类似，用矩量法研究缝隙弯折的次数、高度、位置、宽度和缝隙天线平片大小对矩形天线谐振特性的影响。

基于弯折的各参数对缝隙天线性能的影响，可根据实际需要设计UHF射频识别标签用的缝隙天线，制作具体的实物天线。可以预计，弯折缝隙天线将是UHF标签天线设计领域比较看好的发展方向。

超高频RFID标签天线的性能主要取决于随频率变化而变化的标签芯片复数阻抗。在天线设计过程中，为了满足设计要求，必须密切关注标签的识别范围。由于天线大小和工作频率限制了天线的最大可达增益和带宽，所以必须对标签性能进行优化，以便满足设计要求。通常，不同材料不同的工作频段上，可调谐的天线设计更倾向于为标签制造的误差和标签性能的优化提供容差。

由于天线是标签的核心组成部分，对标签的设计要求可以进一步转变为对标签天线的设计要求，而标签天线设计要求主要有频段、尺寸和形状、阻抗带宽、辐射特性、识别范围、应用时的可移动性、成本和可靠性等。建模和仿真是标签天线设计的重要环节，而实验分析和测量则是对前者取得结果的验证，并且通过实验也可以帮助分析和优化天线设计.

总体而言，随着物联网技术的发展和RFID应用场景的多样化，RFID标签天线的设计和应用技术将继续迭代和改进，以满足不断增长的市场需求和复杂的应用环境。

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