射頻識別（RFID）系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽天線

　　【提要】采用傳統(tǒng)的條形碼進(jìn)行物品標(biāo)識將會帶來一系列的不便：無法進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識別，需要人工干預(yù)、許多物品無法標(biāo)識等等。相反，由于射頻識別(RFID)系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進(jìn)行識別，所以可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識別，無須人工干預(yù)，可以標(biāo)識多種多樣的物品。

　　1 引言

　　現(xiàn)代社會產(chǎn)品越來越豐富，數(shù)據(jù)管理需求也越來越高，人們需要將多種多樣處于生產(chǎn)、銷售、流通過程中的物品進(jìn)行標(biāo)識、管理和定位。采用傳統(tǒng)的條形碼進(jìn)行物品標(biāo)識將會帶來一系列的不便：無法進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識別，需要人工干預(yù)、許多物品無法標(biāo)識等等。相反，由于射頻識別(RFID)系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進(jìn)行識別，所以可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識別，無須人工干預(yù)，可以標(biāo)識多種多樣的物品。

　　射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)。它是由電子標(biāo)簽（Tag/Transponder）、讀寫器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware)三部分組成的一種短距離無線通信系統(tǒng)。射頻識別中的標(biāo)簽是射頻識別標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線的結(jié)合體。標(biāo)簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動標(biāo)簽和被動標(biāo)簽。主動標(biāo)簽自身攜帶電池為其提供讀寫器通信所需的能量；被動標(biāo)簽則采用感應(yīng)耦合或反向散射工作模式，即通過標(biāo)簽天線從讀寫器中發(fā)出的電磁場或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識別標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線的匹配程度，將儲存在標(biāo)簽芯片中的信息反饋給讀寫器。因此，射頻識別標(biāo)簽天線的阻抗必須與標(biāo)簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標(biāo)簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識別讀寫器所發(fā)出的電磁能量。此外，標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮電子標(biāo)簽所應(yīng)用的場合，如應(yīng)用在金屬物體表面的標(biāo)簽天線和應(yīng)用在普通物體表面的標(biāo)簽天線在天線的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標(biāo)簽天線是射頻識別在我國得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　2 射頻識別系統(tǒng)與天線的分類

　　對于采用被動式標(biāo)簽的射頻識別系統(tǒng)而言，根據(jù)工作頻段的不同具有兩種工作模式。一種是感應(yīng)耦合（Inductive Coupling）工作模式,這種模式也稱為近場工作模式，它主要適用用于低頻和高頻RFID系統(tǒng)；另一種則是反向散射（Back scattering）工作模式，這種模式也稱為遠(yuǎn)場工作模式，主要適用于超高頻和微波RFID系統(tǒng)。

　　感應(yīng)耦合模式主要是指讀寫器天線和標(biāo)簽天線都采用線圈形式。當(dāng)讀寫器在閱讀標(biāo)簽時(shí)，發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的信號，處于讀寫器天線近場的電子標(biāo)簽天線接收到該信號并激活標(biāo)簽芯片之后，由標(biāo)簽芯片根據(jù)內(nèi)部存儲的全球唯一的識別號（ID）控制標(biāo)簽天線中的電流大小。這個(gè)電流的大小進(jìn)一步增強(qiáng)或者減小閱讀器天線發(fā)出的磁場。這時(shí)，讀寫器的近場分量展現(xiàn)出被調(diào)制的特性，讀寫器內(nèi)部電路檢測到這個(gè)由于標(biāo)簽而產(chǎn)生的調(diào)制量并解調(diào)并得到標(biāo)簽信息。

　　在反向散射工作模式中，讀寫器和電子標(biāo)簽之間采用電磁波來進(jìn)行信息的傳輸。當(dāng)讀寫器對標(biāo)簽進(jìn)行閱讀識別時(shí)，首先發(fā)出未經(jīng)調(diào)制的電磁波，此時(shí)位于遠(yuǎn)場的電子標(biāo)簽天線接收到電磁波信號并在天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電子標(biāo)簽內(nèi)部電路將這個(gè)感應(yīng)電壓進(jìn)行整流并放大用于激活標(biāo)簽芯片。當(dāng)標(biāo)簽芯片激活之后，用自身的全球唯一標(biāo)識號對標(biāo)簽芯片阻抗進(jìn)行變化，當(dāng)電子標(biāo)簽芯片的阻抗和標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配較好時(shí)則基本不反射信號，而阻抗匹配不好時(shí)則將幾乎全部反射信號，這樣反射信號就出現(xiàn)了振幅的變化，這種情況類似于對反射信號進(jìn)行幅度調(diào)制處理。讀寫器通過接收到經(jīng)過調(diào)制的反射信號判斷該電子標(biāo)簽的標(biāo)識號并進(jìn)行識別。這類天線主要包括微帶天線、平面偶極子天線和環(huán)形天線。圖二是我們研制的能工作于多種識別環(huán)境下的UHF電子標(biāo)簽天線。

　　3 電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)與測試

　　如前所述，由于工作于低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)采用感應(yīng)耦合模式進(jìn)行通信，所以工作于這兩個(gè)頻段的讀寫器與電子標(biāo)簽都采用線圈形式的天線。工作在這兩個(gè)頻段的射頻識別系統(tǒng)都受制于近場作用的范圍，從而導(dǎo)致其識別距離較短。根據(jù)目前的情況來看，采用近場通信的射頻識別系統(tǒng)最大的識別距離小于1米。

　　由于低頻和高頻頻段的射頻識別系統(tǒng)采用的是電磁場耦合模式，所以系統(tǒng)中的天線都采用線圈形式。采用這種形式的主要原因如下：1. 電磁場的耦合在線圈之間比較緊密；2. 天線采用線圈的形式進(jìn)一步減小了天線的體積進(jìn)而減小了標(biāo)簽的體積；3. 標(biāo)簽芯片的特性要求標(biāo)簽天線具有一定的電抗。

　　在超高頻和微波波段時(shí)，電子標(biāo)簽和讀寫器之間的通信采用反向散射工作方式。這時(shí)候，連接電子標(biāo)簽和讀寫器之間的橋梁不再是近磁場而是電磁波。此時(shí)，被動型電子標(biāo)簽處于讀寫器的電磁波遠(yuǎn)場中。根據(jù)頻帶的波長和天線的口徑可以計(jì)算出該頻帶內(nèi)射頻識別系統(tǒng)的遠(yuǎn)場和讀寫器之間的距離。一般來說，被動性標(biāo)簽在超高頻范圍內(nèi)的工作距離可達(dá)10米左右，根據(jù)現(xiàn)有資料來看，工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被動標(biāo)簽工作距離僅為1米左右。所以目前采用反向散射工作模式的射頻識別系統(tǒng)主要使用位于860～960 MHz的超高頻頻段。

　　在由被動型標(biāo)簽天線組成的射頻識別系統(tǒng)中，標(biāo)簽需要從讀寫器產(chǎn)生的電磁場或者電磁波中獲取能量激活標(biāo)簽芯片，所以在電子標(biāo)簽中有一部分電路專門用于檢測標(biāo)簽天線上的感生電動勢或者感應(yīng)電壓，并通過二極管電路進(jìn)行整流并經(jīng)過其他電路進(jìn)行電壓放大等等。這些電路被集成在標(biāo)簽芯片內(nèi)部。當(dāng)芯片進(jìn)行封裝時(shí)通常還會引入一部分分布式電容。但是，天線設(shè)計(jì)本身并不需要知道芯片中的具體電路而只需要掌握芯片和經(jīng)過封裝之后的芯片阻抗，并利用最大能量傳遞的法則設(shè)計(jì)天線的輸入阻抗。

　　由于電子標(biāo)簽芯片的輸出阻抗具有電抗分量，為了達(dá)到能量的最大傳遞，需要將天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)為標(biāo)簽芯片阻抗的共軛[1]。一般而言，電子標(biāo)簽芯片的輸入阻抗為Z=R-jX形式，為了獲得共軛形式的阻抗，電子標(biāo)簽天線的阻抗應(yīng)為Z=R+jX形式。

　　如前文所述，工作在低頻與高頻的射頻識別系統(tǒng)中的被動標(biāo)簽天線采用了線圈形式，這種線圈形式即可引入感抗用于抵消等效電路中的容抗從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽芯片和天線之間的最大能量傳遞。

　　而對于工作于超高頻和微波頻段的標(biāo)簽天線而言，為了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天線設(shè)計(jì)中加入環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行感性饋電[2],或者加入T型匹配[3]等結(jié)構(gòu)。另外，為了在規(guī)定的等效全向輻射功率（EIRP）下獲得更遠(yuǎn)的閱讀距離，除了要求電子標(biāo)簽天線也具有高增益，還要求電子標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片之間能夠有足夠好的匹配[4]。

　　在標(biāo)簽天線進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真并獲得理想結(jié)果之后，需要將天線加工并進(jìn)行測試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真的正確性。也正因?yàn)榍拔闹兴榻B的標(biāo)簽天線具有復(fù)數(shù)阻抗的特性，其測試方法和具有實(shí)數(shù)阻抗天線的測試方法有所區(qū)別。另外，在同一個(gè)標(biāo)簽天線的測試過程中，根據(jù)所需數(shù)據(jù)的不同其測試方法也有所不同。

　　通常，測試天線的過程中并不需要專門測試天線的輸入阻抗。但標(biāo)簽天線的阻抗為負(fù)數(shù)阻抗，且其虛部與實(shí)部之比較大（通常X/R>10），這樣的阻抗曲線在smith圓圖中靠近短路圓，不易通過smith圓圖觀察天線的阻抗帶寬。為了獲得標(biāo)簽天線的輸入阻抗，可以將測試設(shè)備的輸出端口直接與天線的輸入端口相連。由于這種方式并未考慮標(biāo)簽天線本身具有復(fù)數(shù)阻抗這一特性，天線和測試設(shè)備之間并沒有取得共軛匹配，此時(shí)只能得到天線的阻抗參數(shù)，諸如散射矩陣參數(shù)和駐波比等常用來衡量天線的電路參數(shù)不能直接獲得。

　　為了獲得是散射參數(shù)和駐波比等電路參數(shù)，以便對天線的阻抗帶寬特性進(jìn)行評價(jià)，可將實(shí)測的阻抗參數(shù)帶入相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算或者采用阻抗匹配的方法在測試設(shè)備和天線之間加入匹配電路。匹配電路可用兩種方法構(gòu)成，一是采用工作頻率較高的分立元件構(gòu)成，二是采用微波電路