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RFID技术原理及其射频天线设计

2021-02-24 14:30:18

近年来人们开始开发应用非接触式IC卡来逐步替代接触式IC卡,其中射频识别( RFID , radio frequency idenTIficaTIon) 卡就是一种典型的非接触式IC卡,然而,RFID 在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换的。

自1970 年首张IC 卡问世起,IC 卡成为当时微电子技术市场增长很快的产品之一,到1996 年全世界发售IC卡就有7 亿多张。但是,这种以接触式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺点,即接触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC卡的使用寿命和使用范围。近年来人们开始开发应用非接触式IC卡来逐步替代接触式IC卡,其中射频识别(RFID , radio frequency idenTIficaTIon) 卡就是一种典型的非接触式IC卡,它是利用无线通信技术来实现系统与IC卡之间数据交换的,显示出比一般接触式IC 卡使用更便利的优点,已被广泛应用于制作电子标签或身份识别卡。然而,RFID在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换的。这里我们将首先通过介绍RFID应用系统的基本工作原理来具体说明射频天线的设计是RFID不同应用系统的关键,然后分别介绍几种典型的RFID 天线及其设计原理,然后介绍利用Ansoft HFSS工具来设计了一种全向的RFID天线。

1RFID技术原理

通常情况下,RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的,如图1 所示。其中,读写器一般作为计算机终端,用来实现对RFID卡的数据读写和存储,它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。而RFID卡则是一种无源的应答器,主要是由一块集成电路( IC) 芯片及其外接天线组成,其中RFID 芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路,有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。

 

图1 射频识别系统原理图

RFID应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后,由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理;所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路,然后通过天线发回给读写器。可见,RFID 卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线,一方面,无源的RFID卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量;另一方面,天线决定了RFID卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式。

目前RFID已经得到了广泛应用,且有国际标准:ISO10536,ISO14443,ISO15693,ISO18000等几种,这些标准除规定了通讯数据帧协议外,还着重对工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格进行了规范。RFID应用系统的标准制定决定了RFID天线的选择,下面将分别介绍已广泛应用的各种类型的RFID天线及其性能。

2RFID天线类型

RFID主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3 种基本形式的天线。其中,小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线,它们主要工作在中低频段,而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线,它们工作在高频及微波频段。这几种类型天线的工作原理是不相同的。

2.1线圈天线

当RFID的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中,RFID天线与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,由RFID的线圈天线形成的谐振回路如图2所示,它包括RFID 天线的线圈电感L 、寄生电容Cp和并联电容C2′,其谐振频率为:

  (式中C 为Cp 和C2′的并联等效电容)。RFID应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的ID1型非接触式IC卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm),天线线圈谐振工作频率通常为13.56 MHz。目前已研发出面积下限为0.4mm ×0.4 mm 线圈天线的短距离RFID应用系统。

 

 

图2 应答器等效电路图

某些应用要求RFID天线线圈外形很小,且需一定的工作距离,如用于动物识别的RFID。线圈外形即面积小的话,RFID与读写器间的天线线圈互感量M就明显不能满足实际使用。通常在RFID的天线线圈内部插入具有高导磁率μ的铁氧体材料,以增大互感量,从而补偿线圈横截面减小的问题。

2.2 微带贴片天线

微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的,如图3所示,根据天线辐射特性的需要,可以设计贴片导体为各种形状,通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长,假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化,仅沿约为半波长(λg/ 2) 的导体长度方向变化,则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的,辐射方向基本确定,因此,一般适用于通讯方向变化不大的RFID 应用系统中, 为了提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题,人们还提出了各种不同的微带缝隙天线,如文献[5,6]设计了一种工作在24 GHz 的单缝隙天线和5.9 GHz 的双缝隙天线,其辐射波为线极化波;文献[7,8]开发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线,它是可以采用左旋圆极化和右旋圆极化来对二进制数据中的‘1’和‘0’进行编码。

 

 

图3 微带天线


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