偶極子RFID標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究

　　近年來(lái)，RFID技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動(dòng)物體識(shí)別應(yīng)用中的主要技術(shù)。RFID技術(shù)利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，可達(dá)到識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的。與磁卡和IC卡等接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽和讀寫器之間無(wú)需物理接觸就可完成識(shí)別，屬于非接觸識(shí)別。RFID技術(shù)具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如讀寫操作方便、靈活，實(shí)時(shí)完成，一次識(shí)別多個(gè)射頻卡，識(shí)別運(yùn)動(dòng)中的射頻卡，避免了由于接觸帶來(lái)的對(duì)卡片的磨損和對(duì)集成電路的損壞等。因此，它可更廣泛地應(yīng)用于供應(yīng)鏈路和零售業(yè)中。

　　RFID系統(tǒng)能捕捉運(yùn)動(dòng)物體的詳細(xì)信息并識(shí)別物體中存儲(chǔ)的每一個(gè)信息項(xiàng)目。該技術(shù)避免了跟蹤過(guò)程中的人工干預(yù)，在節(jié)省大量人力的同時(shí)可極大地提高工作效率。在不同的應(yīng)用環(huán)境中RFID技術(shù)需要采用不同的天線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)今有很多種RFID天線類型，如偶極子天線、分形天線、環(huán)形槽天線和微帶貼片天線等。筆者主要研究偶極子天線在RFID系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

　　1偶極子天線理論分析

　　1．1RFID系統(tǒng)原理

　　典型的RFID系統(tǒng)由閱讀器和電子標(biāo)簽組成，如圖1所示。閱讀器連接著電腦終端，主要用數(shù)據(jù)天線

　　來(lái)識(shí)別RFID標(biāo)簽并讀取數(shù)據(jù)。閱讀器包括控制模塊、RF調(diào)制模塊和天線。電子標(biāo)簽(或稱射頻卡、應(yīng)答器等)由天線及IC芯片組成，其中包含帶加密邏輯、串行EEPROM(可擦除及可編程只讀存儲(chǔ)器)、微處理器CPU以及射頻收發(fā)相關(guān)電路。電子標(biāo)簽具有智能讀寫和加密通信的功能，通過(guò)無(wú)線電波與讀寫設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，分為有源標(biāo)簽(帶電源)和無(wú)源標(biāo)簽(不帶電源)兩種，無(wú)源標(biāo)簽工作的能量由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供，筆者主要討論無(wú)源標(biāo)簽天線。

　　數(shù)據(jù)和能量傳輸是RFID系統(tǒng)運(yùn)作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。射頻信號(hào)通過(guò)閱讀器天線和標(biāo)簽天線的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，因此，天線在整個(gè)RFID系統(tǒng)中扮演著重要角色。而標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片之間的阻抗匹配在提高系統(tǒng)的閱讀范圍和能量傳輸?shù)男噬嫌葹橹匾?

　　1．2半波偶極子天線特性

　　一個(gè)簡(jiǎn)易的偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)、長(zhǎng)度相等的直導(dǎo)線構(gòu)成，在中間兩個(gè)端點(diǎn)之間進(jìn)行饋電。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和探測(cè)等各種無(wú)線電設(shè)備中，適用于短波、超短波，甚至微波。它既可作為簡(jiǎn)單的天線單獨(dú)使用，又可作為天線陣的單元或面天線的饋源。

　　半波偶極子天線的長(zhǎng)度是半個(gè)波長(zhǎng)，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于半波偶極子是基本的線天線，很多天線都是在半波振子的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。

　　半波偶極子天線的輻射電阻為：

　　其中，θ為輻射角度。半波偶極子天線的E面方向圖函數(shù)F(θ)為：

　　當(dāng)θ=90。時(shí)具有最大值，將式(2)代人式
　　(1)，可得到半波偶極子天線的輻射電阻為：

　　將式(2)代入式(3)：

　　可得，半波偶極子的方向系數(shù)D=1．64。

　　由于半波偶極子的特性阻抗接近純阻性，因此可以把半波偶極子看作無(wú)耗天線，即η=1。由于半波偶極子的方向系數(shù)D=1．64，因此半波偶極子的增益為：

　　1．3天線阻抗和標(biāo)簽接收功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　偶極子RFID標(biāo)簽天線的等效電路如圖3所示，如果RFID標(biāo)簽在閱讀器周圍的一定范圍內(nèi)，假設(shè)為標(biāo)簽天線在電場(chǎng)強(qiáng)度為E，距離為r的區(qū)域所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，而傳送至RFID標(biāo)簽終端的電壓U₁只是U₀的一部分。由圖3可看出U₁，為RFID標(biāo)簽的供電電壓。

　　天線的一個(gè)重要性質(zhì)是它的阻抗z_a等于電抗X_a與輻射電阻R_a的和(5)，即：

　　z_a=R_a+jX_{a (5)}

　　同理可知標(biāo)簽的阻抗為：

　　Z_t=R_t+jX_{t (6)}
　　設(shè)天線傳送到標(biāo)簽的功率為P_e，則P_e為影

　　響標(biāo)簽性能的一個(gè)重要因素：

　　天線的感應(yīng)電壓可由式(8)得到：

　　式中，S為輻射密度；r為標(biāo)簽到閱讀器的距離；σ為相對(duì)介質(zhì)系數(shù)；G為天線的增益。

　　式(7)表明了天線阻抗和標(biāo)簽接收到功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，顯然，要得到最大的功率P_e，就必須使天線的阻抗與RFID標(biāo)簽的阻抗達(dá)到阻抗匹配，即R_a=R_t且X_a=－X_t。當(dāng)天線和標(biāo)簽達(dá)到阻抗匹配時(shí)，將式(8)代入式(7)，可以得到最大的接收功率P_e為：

　　可以看出，要使RFID標(biāo)簽獲得最大的功率，天線與標(biāo)簽之間的阻抗匹配起著關(guān)鍵作用，因此，天線的設(shè)計(jì)，直接影響著天線阻抗特性及整個(gè)RFID系統(tǒng)的性能。

　　2偶極子RFID標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　2．1三線折疊半波偶極子天線模型

　　RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)由所選的標(biāo)簽芯片決定，為了優(yōu)化標(biāo)簽天線的傳輸性能，天線的輻射電阻必須適應(yīng)標(biāo)簽芯片的阻抗特性。天線的設(shè)計(jì)一直與50Ω或75Ω的標(biāo)簽芯片相匹配，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，一些標(biāo)簽芯片的阻抗變得任意化，從而天線的設(shè)計(jì)也需要滿足不同芯片的阻抗特性。圖4給出了一種三線折疊半波偶極子天線的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使天線得到較高的輸人阻抗，從而更方便與標(biāo)簽芯片達(dá)到阻抗匹配。

　　該結(jié)構(gòu)中，每根偶極子之間的寬度d應(yīng)小于0．05λ。這種天線結(jié)構(gòu)使得天線的輻射電阻能夠達(dá)到簡(jiǎn)單半波偶極子的8倍左右，其輻射電阻值可由式(10)得到：

　　從式(10)可看出，該結(jié)構(gòu)由若干參數(shù)決定，如偶極子寬度d₁和d₂，每根偶極子之間的距離W₁和W₂。這些參數(shù)值直接影響天線輻射電阻值，為使標(biāo)簽達(dá)到最大效率，表1給出了RFID系統(tǒng)應(yīng)用頻率在868～915MHz的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

　　表1天線結(jié)構(gòu)參數(shù)值

　　2．2天線阻抗及RFID標(biāo)簽接收功率分析

　　圖5給出了三線折疊半波偶極子天線和簡(jiǎn)單偶極子天線阻抗隨頻率變化的情況，可以看出，該結(jié)構(gòu)的天線阻抗明顯比簡(jiǎn)單偶極子高了很多，能夠較好地與RFID標(biāo)簽芯片達(dá)到阻抗匹配。圖6給出了應(yīng)用該三線折疊偶極子天線及簡(jiǎn)單偶極子天線的RFID標(biāo)簽接收功率隨頻率的變化情況，可以看出，三線折疊偶極子天線結(jié)構(gòu)使RFID標(biāo)簽的功率接收效率有了明顯提高。

　　3結(jié)論

　　對(duì)無(wú)源RFID標(biāo)簽半波偶極子天線總體的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論，提出了一種應(yīng)用于868～915MHz的RFID標(biāo)簽天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)圖形分析了天線的阻抗特性及RFID標(biāo)簽功率接收效率。用這種方案制作的半波偶極子天線簡(jiǎn)單、方便且費(fèi)用低廉，可以使天線達(dá)到較高的輸入阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)與一些RFID標(biāo)簽的匹配，從而有效提高RFID標(biāo)簽的功率接收效率。

　　天線的RFID標(biāo)簽接收功率的頻率特性