通信論文發(fā)表期刊推薦國家級期刊《中國新通信》，《中國新通信》雜志是由工業(yè)和信息化部主管，電子工業(yè)出版社主辦，《中國新通信》雜志社編輯出版的信息通信技術(shù)專業(yè)期刊，原《中國數(shù)據(jù)通信》（月刊）。自 1999年創(chuàng)刊以來，受到了廣大讀者和作者的關(guān)心和支持，2005年被科學(xué)技術(shù)協(xié)會評為優(yōu)秀期刊，于2006年1月改名為《中國新通信》。

　　摘要：RFID(RadioFrequencyIdentification，射頻識別技術(shù))是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。本文主要分析總結(jié)了RFID技術(shù)的原理，RFID天線設(shè)計主要考慮物理參量，最后指出了RRFID標(biāo)簽及讀寫器天線的設(shè)計與應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：RFID,原理,類型,設(shè)計

　　1.RFID技術(shù)原理

　　RFID（radiofrequencyidentification）是利用無線電波進(jìn)行通信的一種自動識別技術(shù)。基本原理是通過讀頭和黏附在物體上的標(biāo)簽之間的電磁耦合或電感耦合進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到對標(biāo)簽物品的自動識別。通常情況下，RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成的。其中，讀寫器一般作為計算機(jī)終端，用來實現(xiàn)對RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而RFID卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線組成，其中RFID芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。

　　RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。可見，RFID卡與讀寫器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無源的RFID卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了RFID卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式。

　　2.實際RFID天線設(shè)計主要考慮物理參量

　　2.1磁場強(qiáng)度。運(yùn)動的電荷或者說電流會產(chǎn)生磁場，磁場的大小用磁場強(qiáng)度來表示。RFID天線的作用距離，與天線線圈電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度緊密相關(guān)。

　　圓形線圈的磁場強(qiáng)度(在近場耦合有效的前提下，近場耦合有效與否的判斷在1．3節(jié))可用式(1)進(jìn)行計算：

　　式中：H是磁場強(qiáng)度；I是電流強(qiáng)度；N為匝數(shù)；R為天線半徑；x為作用距離。

　　對于邊長ab的矩形導(dǎo)體回路，在距離為x處的磁場強(qiáng)度曲線可用下式計算。

　　結(jié)果證實：在與天線線圈距離很小(xR)處呈現(xiàn)出較高的磁場強(qiáng)度。在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)考慮這種效應(yīng)，如圖1所示。

　　2.2最佳天線直徑。在與發(fā)射天線的距離x為常數(shù)并簡單地假定發(fā)射天線線圈中電流I不變的情況下，如果改變發(fā)送天線的半徑R時，就可以根據(jù)距離x與天線半徑R之間的關(guān)系得到最大的磁場強(qiáng)度H。這意味著：對于每種射頻識別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對應(yīng)有一個最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過大，那么在與發(fā)射天線的距離x=0處，磁場強(qiáng)度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場強(qiáng)度則以z的三次方的比例衰減，如圖2所示。

　　不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對應(yīng)著磁場強(qiáng)度曲線最大值。

　　從數(shù)學(xué)上來說，也即對R求導(dǎo)，如式(3)所示：

　　從公式的零點中計算是拐點以及函數(shù)的最大值。

　　發(fā)射天線的最佳半徑對應(yīng)于最大期望閱讀器的2孺值。第二個零點的負(fù)號表示導(dǎo)電路的磁場強(qiáng)度在x軸的兩個方向傳播。這里需要指出的是，使用此式的前提條件，是近場耦合有效。下面簡介近場耦合的概念。

　　2.3近場耦合。真正使用前面所提到的公式時，有效的邊界條件為：d《R以及x<λ／2π，原因是當(dāng)超出上述范圍時，近場耦合便失去作用了，開始過渡到遠(yuǎn)距離的電磁場。一個導(dǎo)體回路上的初始磁場是從天線上開始的。在磁場的傳輸過程中，由于感應(yīng)的增加也形成電場。這樣，最原始的純磁場就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成了電磁場。當(dāng)距離大于λ／2π的時候，電磁場最終擺脫天線，并作為電磁波進(jìn)入空間。在作為電磁波進(jìn)入空間之前的這個范圍，就叫做天線的近場，本文所涉及的RFID天線設(shè)計，是基于近場耦合的概念。所以距離應(yīng)當(dāng)限定在上述的范圍之內(nèi)。

　　2.4調(diào)諧。RFID系統(tǒng)讀寫器可以等效為一個R-L-C串聯(lián)電路，其中R為繞線線圈的電阻，L為天線自身的電感。一般調(diào)諧過程當(dāng)中，由于天線線圈本身的電容對于諧振的影響很小，可以忽略不計，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個電容C，完成對天線的調(diào)諧，達(dá)到這一目的。而調(diào)諧電容，天線的電感以及工作頻率之間的關(guān)系，可以通過以下湯姆遜公式求得，即：

　　2.5電感的估算。電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)體回路包圍的電流強(qiáng)度之比。實際RFID天線調(diào)試的時候，讀寫器天線電感量值可以通過阻抗分析儀測出，在條件有限的情況下，也常采用估算公式進(jìn)行估算。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小(d／D<0．001)，則導(dǎo)體回路的電感可簡單地近似為：

　　式中：N為繞線天線的匝數(shù)；R為天線線圈的半徑；d為導(dǎo)體的內(nèi)徑；μ0為自由空間磁導(dǎo)率。

　　線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進(jìn)行估算，在實際應(yīng)用中，兩個公式可以進(jìn)行對照使用：

　　式中：L為線圈電感，單位為nH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導(dǎo)線直徑，單位為cm。

　　2.6天線的品質(zhì)因數(shù)。天線的性能還與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大，但是同時，讀寫器的通帶特性也會受到影響。所以在實際調(diào)節(jié)Q值的時候，要進(jìn)行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值，是通過在R-L-C等效電路上面串接一個電阻R1實現(xiàn)的，具體的公式如下：Q=ωL／(R+R1)(8)

　　3．RFID標(biāo)簽及讀寫器天線的設(shè)計與應(yīng)用

　　RFID系統(tǒng)天線一般分為電子標(biāo)簽天線設(shè)計和讀寫器天線兩大類。不同工作頻段的RFID系統(tǒng)天線設(shè)計各有特點。對于LF和HF頻段，系統(tǒng)采用電感耦合方式工作，電子標(biāo)簽所需的工作能量通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場獲得，一般為無源系統(tǒng)，工作距離較小，不大于1米。在讀寫器的近場實際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設(shè)計比較簡單。而對于UHF和微波頻段，電子標(biāo)簽工作時一般位于讀寫器天線的遠(yuǎn)場，工作距離較遠(yuǎn)。讀寫器的天線為電子標(biāo)簽提供工作能量或喚醒有源電子標(biāo)簽，UHF頻段多為無源被動工作系統(tǒng)，微波頻段（2.45GHz和5.8GHz）則以半主動工作方式為主。天線設(shè)計對系統(tǒng)性能影響較大。對于UHF和微波頻段電子標(biāo)簽天線設(shè)計，主要問題有：

　　3.1天線的輸入匹配。UHF和微波頻段電子標(biāo)簽天線一般采用微帶天線形式。在傳統(tǒng)的微帶天線設(shè)計中，我們可以通過控制天線尺寸和結(jié)構(gòu)，或者使用阻抗匹配轉(zhuǎn)換器使其輸入阻抗與饋線相匹配，天線匹配越好，天線輻射性能越好。但由于受到成本的影響，電子標(biāo)簽天線一般只能直接與標(biāo)簽芯片相連。芯片阻抗很多時候呈現(xiàn)強(qiáng)感弱阻的特性，而且很難測量芯片工作狀態(tài)下的準(zhǔn)確阻抗特性數(shù)據(jù)。在設(shè)計電子標(biāo)簽天線時，使天線輸入阻抗與芯片阻抗相匹配有一定的難度。在保持天線性能的同時又要使天線與芯片相匹配。這是電子標(biāo)簽天線設(shè)計的一個主要難點。

　　3.2天線方向圖。電子標(biāo)簽，理論上希望它在各個方向都可以接收到讀寫器的能量，所以一般要求標(biāo)簽天線具有全向或半球覆蓋的方向性，而且要求天線為圓極化。

　　3.3天線尺寸對其性能的影響。由于電子標(biāo)簽天線尺寸極小，其輸入阻抗，方向圖等特性容易受到加工精度，介質(zhì)板純度的影響。在嚴(yán)格控制尺寸的同時又要求天線具有相當(dāng)?shù)脑鲆妫�增益越大，電子�?biāo)簽的工作距離越大。現(xiàn)時實際應(yīng)用中的電子標(biāo)簽天線基本采用貼片天線設(shè)計，主要形式有微帶天線，折線天線等。最近幾年，電子標(biāo)簽天線設(shè)計一直是RFID系統(tǒng)中的熱點。標(biāo)簽天線研究的重點有如何實現(xiàn)寬頻特性，阻抗匹配，還有文章涉及天線底板對標(biāo)簽性能的影響。

　　讀寫器天線一般要求使用定向天線，可以分為合裝和分裝兩類。合裝是指天線與芯片集成在一起，分裝則是天線與芯片通過同軸線相連，一般而言，讀寫器天線設(shè)計要求比標(biāo)簽天線要低。最近一段時間，開始有研究在讀寫器天線上應(yīng)用智能天線技術(shù)控制天線主波束的指向，增大讀寫器所能涵蓋的區(qū)域。

　　4.結(jié)語

　　總之，RFID的實際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計上，特別是對于具有非常大市場容量的商品標(biāo)簽來說，要求RFID能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無線數(shù)據(jù)通訊，且還要價格低廉、體積小。因此，我們所設(shè)計的上述這種全向型偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡單、易于批量加工制造，是可以滿足實際需要的。本文對于各種RFID的天線設(shè)計具有普遍的指導(dǎo)意義。