關于RFID標簽天線的設計詳解

因為系統能量產生和傳送方式不同，對應的RFID標簽天線主要可分為近場感應線圈天線和遠場輻射天線。感應耦合系統使用的是近場感應線圈天線，由多匝電感線圈組成，電感線圈和與其相并聯的電容構成并聯諧振回路以耦合最大的射頻能量；微波輻射系統使用的遠場輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線，遠場輻射天線通常是諧振式的，一般取半波長。天線的形狀和尺寸決定它能捕捉的頻率范圍等性能，頻率越高，天線越靈敏，占用的面積也越少。較高的工作頻率可以有較小的標簽尺寸，與近場感應天線相比，遠場輻射天線的輻射效率較高。

標簽天線主要分為3大類：線圈型、偶極子、縫隙（包括微帶貼片）型。線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或將金屬線纏繞在磁心上；偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成，信號從中間的兩個端點饋人，天線的長度決定頻率范圍；縫隙型天線是由金屬表面切出的凹槽構成，其中微帶貼片天線由一塊末端帶有長方形的電路板構成，長方形的長寬決定頻率范圍。識別距離小于1m的中低頻近距離應用系統的RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線；1m以上的高頻或微波頻段的遠距離應用系統需要采用偶極子和縫隙型天線。

RFID標簽天線的設計要求主要包括以下幾種：RFID天線的物理尺寸足夠小，能滿足RFID標簽小型化的需求；具有全向或半球覆蓋的方向性；具有高增益，能提供最大的信號給RFID標簽的芯片；阻抗匹配好，無論RFID標簽在什么方向，RFID標簽天線的極化都能與RFID讀寫器的信號相匹配；具有頑健性及低成本。在選擇RFID天線時主要考慮：天線的類型、阻抗、應用到物品上的RFID性能和當有其他物品圍繞RFID標簽物品時的RFID性能。

線圈型天線

當標簽線圈天線進入RFID讀寫器產生的交變磁場中，RFID標簽天線與RFID讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器。兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈。

RFID標簽和RFID讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是當要求標簽天線線圈外形很?。疵娣e小)，且需一定的工作距離，RFID標簽與RFID讀寫器間的天線線圈互感量（就明顯不能滿足實際需求，可以在RFID標簽天線線圈內部插入具有高導磁率的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補償線圈橫截面小的問題)。目前,線圈型天線的實現技術已很成熟，廣泛地應用在身份識別、貨物標簽等RFID系統中，但是對于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應用場合，采用線圈型天線難以實現相應的性能指標。

偶極子天線

偶極子天線具有輻射能力好、結構簡單、效率高的優點，可以設計成適用于全方位通信的RFID系統，被廣泛應用于RFID標簽天線的設計，尤其是在遠距離RFID系統中。

傳統半波偶極子天線的最大問題在于對標簽尺寸的影響，如915MHz的半波偶極子。研究表明，端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線可以通過選擇合適的幾何參數來獲得所需的輸入阻抗，具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優點，性能非常出色，且與傳統半波偶極子天線相比尺寸要小很多，若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器，還能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。已知增加天線的彎折次數有利于在不降低天線效率的情況下減小天線尺寸，那么如何在有限的空問下進行“彎折”，“彎折”的具體參數對標簽天線的諧振頻率和輸入阻抗有何影響？怎樣“彎折”的RFID效率最高？

眾所周知，具有分形結構的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點，應用到RFID天線設計上可以實現天線多頻段特性和尺寸縮減特性。國內外對具有分形結構的天線做了大量研究工作，證實了分形結構的天線具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內大幅度提高天線效率網。

對半波振子的不同位置和維度使用Hilbert分形變換，并用矩量法對Hilbert標簽天線進行仿真，能得到標簽天線的諧振頻率和輸入阻抗隨分形維數和階數不同的仿真結果，分析結果中的天線增益和效率，判斷哪種維度和階數的標簽天線最符合實際標簽天線的設計要求，進一步制作實體天線，并測試RFID識別距離。

縫隙（包括微帶貼片）型天線

縫隙天線具有低輪廓、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產、電性能多樣化、寬帶與有源器件和電路集成為統一的組件等特點，適合大規模生產，能簡化整機的制作與調試，從而大大降低成本。

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質基片上的輻射貼片導體所構成，根據天線輻射特性，可以設計貼片導體為各種形狀。普遍應用于頻率高于100MHz的低輪廓結構，通常由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上的一片薄層電介質（稱為基片）表面所組成，其貼片可采用光刻工藝制造，使之成本低，易于大量生產。

因此，彎折型天線有利于減小標簽天線的物理尺寸，滿足標簽小型化的設計要求。對于縫隙天線來說，同樣可以利用彎折的概念。事實上，彎折縫隙天線適用于高頻微波段的RFID標簽，能有效減小天線尺寸，性能優，具有廣闊的市場前景。研究方法和彎折偶極子天線類似，用矩量法研究縫隙彎折的次數、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對矩形天線諧振特性的影響。

基于彎折的各參數對縫隙天線性能的影響，可根據實際需要設計UHF射頻識別標簽用的縫隙天線，制作具體的實物天線?？梢灶A計，彎折縫隙天線將是UHF標簽天線設計領域比較看好的發展方向。

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