1引言
RFID（RadioFrequencyIdentification，無線射頻識別）技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，它是將信息在RFID卡（也稱作電子標(biāo)簽）上進(jìn)行編碼，再將此標(biāo)簽粘貼在需要被識別或者追蹤的物品上，在物品移動時就能實現(xiàn)對該物品的跟蹤，形成“流動數(shù)據(jù)庫”。RFID技術(shù)具有可靠性高、保密性強、方便快捷等特點，此外，由于它的數(shù)據(jù)容量大，并可以對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行更改和加密，同時能夠?qū)崿F(xiàn)非視距掃描，因此被廣泛應(yīng)用在包裝、物流等行業(yè)。RFID的關(guān)鍵部件是射頻天線，常見的天線型式有偶極子天線，線圈天線和微帶貼片天線等。由于RFID卡尺寸的限制，天線的小型化成為制約RFID技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。本文在介紹RFID技術(shù)的原理的基礎(chǔ)上綜合比較了各種天線型式，并分析了射頻天線小型化的方法，最后介紹了幾種典型的小型化RFID天線。
2RFID技術(shù)的原理及應(yīng)用
2.1RFID系統(tǒng)的組成
RFID系統(tǒng)主要由RFID卡、讀寫器以及進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、交換和管理的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中RFID卡由天線和RFID芯片組成，每個芯片都含有唯一的識別碼，用來標(biāo)示該RFID卡所附著的物品；讀寫器用來對RFID卡中的信息進(jìn)行讀寫，并通過網(wǎng)絡(luò)和其他計算機或系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成對RFID卡的信息獲取、解釋以及數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、交換、和管理，具體實現(xiàn)可由小型數(shù)據(jù)庫來完成，也可以利用集成了RFID管理模塊的大型ERP數(shù)據(jù)庫管理軟件來實現(xiàn)。
2.2RFID系統(tǒng)的工作原理
讀寫器首先將射頻載波信號通過發(fā)射天線向外發(fā)射，當(dāng)裝有RFID卡的物品接近讀寫器并進(jìn)入讀寫器發(fā)射天線的工作區(qū)時，RFID卡的識別標(biāo)簽被激活，并將自身的信息代碼通過天線發(fā)射出去；系統(tǒng)的接收天線接收到識別標(biāo)簽發(fā)出的載波信號之后，經(jīng)過天線的調(diào)節(jié)器傳送給讀寫器，讀寫器對該信號進(jìn)行解碼和解調(diào)，并送到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過邏輯運算判斷出該標(biāo)簽是否合法，并作出相應(yīng)的處理，隨后發(fā)出指令控制信號送回射頻前端電路，最后再通過天線發(fā)送回讀寫器。
3RFID射頻天線的小型化設(shè)計
3.1RFID的主要天線型式
由RFID系統(tǒng)的工作原理不難看出，在RFID卡和讀寫器進(jìn)行通信的過程中，射頻天線起到了重要的作用，該作用主要表現(xiàn)在兩方面：一是要建立一個穩(wěn)定的激勵電磁場，這樣RFID卡的芯片才能獲得足夠的能量來啟動電路進(jìn)行工作，二是接收來自識別標(biāo)簽的載波信號并傳送給讀寫器，因此選取合適的天線型式對提高系統(tǒng)的性能有著重要的意義。在選擇天線時，需要考慮的因素有天線的類型、天線的阻抗，標(biāo)簽附著物品的射頻特性以及該物品周圍其他物品的射頻特性等。[nextpage]
天線的目標(biāo)是將最大的能量傳輸至標(biāo)簽芯片，因此在選擇天線類型時需要使其阻抗與自由空間及ASIC匹配。目前RFID系統(tǒng)的主要工作頻率有435MHz，2.45GHz和5.8GHz，在這些頻段中可選擇的天線型式主要有以下幾種：偶極子天線，微帶貼片天線，線圈天線等。
偶極子天線輻射能力強，制造工藝簡單，成本低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全向性的方向圖，經(jīng)常被用在遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。微帶貼片天線的方向圖是定向的，適用于通信方向變化不大的RFID系統(tǒng)，但相比之下工藝較為復(fù)雜，成本也相對較高。線圈天線目前已經(jīng)有一套成熟的理論和工藝，應(yīng)用較為廣泛，但它只適合于距離在1米以下的近距離RFID系統(tǒng)，在高頻率、大信息量以及工作距離和方向不定的場合難于得到廣泛應(yīng)用。
3.2RFID天線的小型化設(shè)計技術(shù)
RFID系統(tǒng)中所用的射頻天線通常是集成在一張小小的RFID卡上，由于RFID卡尺寸的限制，射頻天線的小型化就成為決定RFID系統(tǒng)性能的重要因素。近年來在這方面有許多新的技術(shù)出現(xiàn)，下面就具體作一介紹：
3.2.1嵌入式線圈天線
文[1]提出了一種嵌入式的線圈天線，如圖2所示。將天線在RFID芯片上進(jìn)行集成是一種有效的減小RFID設(shè)備尺寸的理想方法，之所以采用線圈天線，是因為芯片所接收到的電磁感應(yīng)能量比讀卡器天線在近區(qū)輻射的電磁感應(yīng)能量大。該天線為金制，電鍍在一塊0.4mm×0.4mm的半導(dǎo)體晶片上。能夠達(dá)到的最大通信距離為1.2mm左右。
3.2.2分形開槽環(huán)天線
文[2]提出了一種基于方形Minkowski環(huán)的分形平面開槽環(huán)天線，這種天線具有雙向的方向圖，RFID標(biāo)簽在查詢驗證過程中不需要進(jìn)行特定的定位處理。圖3所示分別為進(jìn)行了0次、1次、2次迭代后的天線圖形。具體實現(xiàn)時，開槽換天線高12.75mm，槽寬0.5mm，通過50ohm的微帶線饋電。圖中的三個天線的理論諧振頻率分別為2.45GHz、1.75GHz和1.45GHz，實測的諧振頻率為2.35GHz、1.7GHz和1.38GHz，與理論值吻合很好。
3.2.3低剖面圓極化EBG天線
某些RFID系統(tǒng)需要采用手持設(shè)備接收來自不同方向的來波信號，在這種情況下要用到圓極化的天線，螺旋天線[3]可以實現(xiàn)圓極化特性，但是通常是接在金屬接地面上，當(dāng)天線距離接地面很近時，反射波的相位與前向波反相，這樣會削弱天線的輻射場。為解決這個問題，文[3]提出了一種低剖面圓極化EBG天線，它將金屬接地面改進(jìn)成EBG（電磁帶隙）結(jié)構(gòu)，在接地面上做出一些很小的方形金屬貼片來形成高阻表面，如圖4所示。改進(jìn)之后，天線尺寸可以縮小到0.005（此處為自由空間諧振頻率對應(yīng)的波長），能夠很好的滿足手持設(shè)備的需要。不足之處在于采用了EBG結(jié)構(gòu)之后，軸比帶寬和增益會有所下降。
4結(jié)束語
本文對RFID的技術(shù)原理及其天線設(shè)計作了較全面的介紹，RFID的實際應(yīng)用的關(guān)鍵取決于它的天線設(shè)計，由于RFID卡尺寸的限制，射頻天線的小型化勢在必行，文中分別介紹了幾種新型的天線小型化技術(shù)，這些技術(shù)富有啟發(fā)性，對進(jìn)一步的研究有一定的意義。
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