RFID标签天线的设计与测试

RFID标签天线的设计与测试

RFID技术作为一种新兴的自动识别技术,RFDD系统朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展。设计出高效、稳定、可靠的标签天线显得尤其重要,天线很大程度上决定了整个RFID系统的性能。本文阐述了RFID系统中天线的作用 设计RFID标签

天线考虑的主要性能参数 设计方法以及测试。【关键词】RFID 标签天线设计

RFID(Radio Frequency Identification)无线射频识别技术被视为20世纪最重要

的十大技术之一。RFID标签天线是 IC 卡中芯片进行信息传递、时钟和能源获取的唯

一通道被当作是标签与读写器之间的重要耦合部件RFID标签天线的质量和性能影响整个卡片的通信距离、成本、使用年限以及可靠性等。RFID标签的设计必须同时具备低成本和高可靠性这两点要求同时由于某些限制RFID标签需要根据不同形状和类型的

物体做具体的设计或贴在表面或嵌入物体内部。目前国内外对 RFID天线的研究重点主要集中在外部环境对天线性能的影响和天线的细部结构上。

1 RFID系统中天线的作用和功能

射频识别系统中电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体阅读器又称为读

出装置扫描器、通讯器、读写器取决于电子标签是否可以无线改写数据。天线是射频

识别系统中基本的元件由读写器产生特定频率的无线电信号通过天线到达应答器芯片

内部的电路当系统开启后电子标签和阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间无

接触耦合、在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递、数据的交换。无源标签天线

主要有两个功能 第一是充当一个传递者通过将带有标签信息的能量反向散射回读写

器天线让读写器系统处理数据。第二是充当一个载体将能量有效地传递到标签芯片里

维持标签芯片正常的工作功率。对应第一个功能产生了反向散射的问题利用芯片内的

开关电路改变芯片阻抗造成不同的反射波反射至标签天线让标签天线散射大小不同的

能量以达到逻辑“1”和“0”的能量信息。这关系到标签天线与芯片之间的阻抗匹配。当改变阻抗让散射波强度改变形成的是ASK调制或者是不改变散射波强度而是改变散

射波的相位形成的是PSK调制。本文在设计反向散射电路时通过改变散射波的相位的

方法采用PSK调制原因是采用ASK调制会带来能量的损失。对应第二个功能的要求就产生了两个问题 天线的功率拦截面积和标签天线与芯片之间的阻抗匹配。天线的功

率拦截面积在规定的范围内是越大越好当两者的阻抗达到或接近最大功率转移时标签

天线所接收到的能量就能有效地传送到芯片所以天线的功率拦截面积越大就能让芯片

有足够的能量达到最大功率。

2 设计RFID标签天线时应考虑的主要性能参数

2.1天线的输入电阻天线的输入阻抗的概念是指输入的信号电压与电流的比率。阻抗的公式为 Zin= jXin+Rin, 天线的阻抗包括电抗分量Xin和电阻分量Rin。输入阻

抗与天线的尺寸工作波长和结构有关。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率

的提取所以必须使电抗分量尽肯能的为零也就是尽可能的是天线的输入阻抗为纯电阻。但是实际上不可能存在零阻抗输入电阻或多或少都有一个小的电抗分量值。

2.2 天线的谐振频率天线的谐振频率简称中心频率。谐振应该是阻抗的虚部为零的点对谐振天线来讲。相应的可以跟S11、Smith原图对应。更多的看S11其实是跟

能量相关在S11越小的地方放射回来的能量越低。在制作发射天线的馈电系统中, 电长度参数尤为重要合理的参数能使整个天线系统做到很好的配接。一般情况下越偏离中

心频率它输送的功率越小越接近中心频率天线输送的功率将会随之增大。

2.3 天线的工作频率范围 频带宽度 无论是发射天线还是接收天线它们总是在一定的频率范围频带宽度内工作的。天线的频带宽度有两种不同的定义 一种是指

天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度 另一种是在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中通常是按后一种定义的具体的说天线的频带宽度就

是天线的驻波比SWR 不超过 1.5 时天线的工作频率范围。一般说来在工作频带宽度内的各个频率点上天线性能是有差异的但这种差异造成的性能下降是可以接受的。天线

的工作频带宽度是实际应用中选择天线的重要指标之一。天线的带宽可以通过改变结

构或金属宽度进行调整如何增加天线的带宽是天线研究的一大重点内容为了保证能正

常地接收到所需的频率范围往往要求天线设计的带宽宽于规定的频段。

3 RFID标签天线的设计方法

3.1 介质基片的选取确定标签天线形式之后就应选定介质基片通常 天线电厚度较可取的最大值约为h/λ=0 2 为了得到较宽的频带和较高的增益宜采用较低的ξ和

较厚的基材料。事实并不存在各方面都理想的基片材料 而主要是根据应用的具体要

求来权衡选定。

3.2 贴片宽度w的选取在确定介质基板材料及其厚度h后 应先确定单元宽度

w的尺寸。w 的尺寸影响着微带天线的方向性函数辐射电阻及输入阻抗从而也就影响

着频带宽度和辐射效率。

3.3 贴片单元长度L的确定矩形微带天线的长度L在理论上取λ/2但实际上由于边缘场的影响在设计L的尺寸是应从λ/2中减去2ΔL。L=0.5λ—2ΔL3.4 选取天线尺寸根据标签天线的设计理论选取天线尺寸为 标签宽度W=36mm长L=10Omm 选取

介电常数ξ= 4.6的介质作为天线基板厚度h=6mm。采用L型金属探针馈电的方式。

4 RFID标签天线的测试

网络分析仪是一种功能强大的仪器正确使用时可以达到极高的精度。它在射频

及微波元件的测量方面是应用最广的仪器尤其在测量无线射频(RF)元件和设备的线性