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1、-RFID基础知识二-第 25 页RFID基础知识二频段分布RFID工作频率的选择，要顾及其他无线电服务，不能对其他服务造成干扰和影响，因而RFID系统通常只能使用特别为工业、科学和医疗应用而保留的ISM频率。ISM频段的主要频率范围如下。1频率6.78MHz这个频率范围为6.7656.795MHz，属于短波频率，这个频率范围在国际上已由国际电信联盟指派作为ISM频段使用，并将越来越多地被RFID系统使用。这个频段起初是为短波通信设置的，根据这个频段电磁波的传播特性，短波通信白天只能达到很小的作用距离，最多几百公里，夜间可以横贯大陆传播。这个频率范围的使用者是不同类别的无线电服务，如无线电广播
2、服务、无线电气象服务和无线电航空服务等。2频率13.56MHz这个频率范围为13.55313.567MHz，处于短波频段，也是ISM频段。在这个频率范围内，除了电感耦合RFID系统外，还有其他的ISM应用，如遥控系统、远距离控制模型系统、演示无线电系统和传呼机等。这个频段起初也是为短波通信设置的，根据这个频段电磁波的传播特性，无线信号允许昼夜横贯大陆联系。这个频率范围的使用者是不同类别的无线电服务机构，例如新闻机构和电信机构等。3频率27.125MHz这个频率范围为26.95727.283MHz，除了电感耦合RFID系统外，这个频率范围的ISM应用还有医疗用电热治疗仪、工业用高频焊接装置和传呼
3、机等。在安装工业用27MHz的RFID系统时，要特别注意附近可能存在的任何高频焊接装置，高频焊接装置产生很高的场强，将严重干扰工作在同一频率的RFID系统。另外，在规划医院27MHz的RFID系统时，应特别注意可能存在的电热治疗仪干扰。4频率40.680MHz这个频率范围为40.66040.700MHz，处于VHF频带的低端，在这个频率范围内，ISM的主要应用是遥测和遥控。在这个频率范围内，电感耦合射频识别的作用距离较小，而这个频率7.5m的波长也不适合构建较小的和价格便宜的反向散射电子标签，因此该频段目前没有射频识别系统工作，属于对射频识别系统不太适用的频带。5频率433.920MHz这个频
4、率范围为430.050434.790MHz，在世界范围内分配给业余无线电服务使用，该频段大致位于业余无线电频带的中间，目前已经被各种ISM应用占用。这个频率范围属于UHF频段，电磁波遇到建筑物或其他障碍物时，将出现明显的衰减和反射。该频段可用于反向散射RFID系统，除此之外，还可用于小型电话机、遥测发射器、无线耳机、近距离小功率无线对讲机、汽车无线中央闭锁装置等。但是，在这个频带中，由于应用众多，ISM的相互干扰比较大。6频率869.0MHz这个频率范围为868870MHz，处于UHF频段。自1997年以来，该频段在欧洲允许短距离设备使用，因而也可以作为RFID频率使用。一些远东国家也在考虑对
5、短距离设备允许使用这个频率范围。7频率915.0MHz在美国和澳大利亚，频率范围888889MHz和902928MHz已可使用，并被反向散射RFID系统使用。这个频率范围在欧洲还没有提供ISM应用。与此邻近的频率范围被按CT1和CT2标准生产的无绳电话占用。8频率2.45GHz这个ISM频率的范围为2.4002.483 5GHz，属于微波波段，也处于UHF频段，与业余无线电爱好者和无线电定位服务使用的频率范围部分重叠。该频段电磁波是准光线传播，建筑物和障碍物都是很好的反射面，电磁波在传输过程中衰减很大。这个频率范围适合反向散射 RFID 系统，除此之外，该频段典型 ISM 应用还有蓝牙和802
6、.11协议无线网络等。9频率5.8GHz这个ISM频率的范围为5.7255.875GHz，属于微波波段，与业余无线电爱好者和无线电定位服务使用的频率范围部分重叠。这个频率范围内的典型ISM应用是反向散射RFID系统，可以用于高速公路RFID系统，还可用于大门启闭（在商店或百货公司）系统。10频率24.125GHz这个ISM频率的范围为24.0024.25GHz，属于微波波段，与业余无线电爱好者、无线电定位服务以及地球资源卫星服务使用的频率范围部分重叠。在这个频率范围内，目前尚没有射频识别系统工作，此波段主要用于移动信号传感器，也用于传输数据的无线电定向系统。11其他频率的应用135kHz以下的
7、频率范围没有作为工业、科学和医疗（ISM）频率保留，这个频段被各种无线电服务大量使用。除了ISM频率外，135kHz以下的整个频率范围RFID也是可用的，因为这个频段可以用较大的磁场强度工作，特别适用于电感耦合的RFID系统。根据这个频段电磁波的传播特性，占用这个频率范围的无线电服务可以达到半径1 000km公里以上。在这个频率范围内，典型的无线电服务是航空导航无线电服务、航海导航无线电服务、定时信号服务、频率标准服务以及军事无线电服务。一个用这种频率工作的射频识别系统，将使读写器周围几百米内的无线电钟失效，为了防止这类冲突，未来可能在70119kHz之间规定一个保护区，不允许RFID系统占用
8、。 RFID使用的频段（1）RFID系统在读写器和电子标签之间通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。读写器和电子标签之间射频信号的传输主要有两种方式，一种是电感耦合方式，一种是电磁反向散射方式，这两种方式采用的频率不同，工作原理也不同。1RFID电感耦合方式使用的频率电感耦合方式的RFID系统，电子标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器天线的近场中获得。电子标签与读写器之间传送数据时，电子标签需要位于读写器附近，通信和能量传输由读写器和电子标签谐振电路的电感耦合来实现。在这种方式中，读写器和电子标签的天线是线圈，读写器的线圈在它周围产生磁场，当电子标签通过时，电子标
9、签线圈上会产生感应电压，整流后可为电子标签上的微型芯片供电，使电子标签开始工作。RFID 电感耦合方式中，读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合如图 4.1所示。44m、22m和11m。可以看出，在读写器的工作范围内（例如0-10cm（1）小于135kHz的RFID系统。该频段电子标签工作在低频，最常用的工作频率为125kHz。该频段RFID系统的工作特性和应用如下。工作频率不受无线电频率管制约束。阅读距离一般情况下小于1m。有较高的电感耦合功率可供电子标签使用。无线信号可以穿透水、有机组织和木材等。典型应用为动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗等。与低频电子标签相关的国际标准有用于动物识别
10、的ISO11784/11785和空中接口协议ISO18000-2（125135kHz）等。非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用。（2）6.78MHz的RFID系统。该频段电子标签工作在高频，RFID系统的工作特性和应用如下。与13.56MHz相比，电子标签可供使用的功率大一些。与13.56MHz相比，时钟频率降低一半。有一些国家没有使用该频段。（3）13.56MHz的RFID系统。该频段电子标签工作在高频，RFID系统的工作特性和应用如下。这是最典型的RFID高频工作频率。该频段的电子标签是实际应用中使用量最大的电子标签之一。该频段在世界范围内用作ISM频段使用。我国第二代身份证采
11、用该频段。数据传输快，典型值为106kbit/s。高时钟频率，可实现密码功能或使用微处理器。典型应用包括电子车票、电子身份证、电子遥控门锁控制器等。相关的国际标准有ISO14443、ISO15693和ISO18000-3等。电子标签一般制成标准卡片形状。（4）27.125MHz的RFID系统。不是世界范围的ISM频段。数据传输较快，典型值为424kbit/s。高时钟频率，可实现密码功能或使用微处理器。与13.56MHz相比，电子标签可供使用的功率小一些。2RFID电磁反向散射方式使用的频率微波电子标签分为有源标签与无源标签两类，电子标签工作时位于读写器的远区，电子标签接收读写器天线的辐射场，读
12、写器天线的辐射场为无源电子标签提供射频能量，将有源电子标签唤醒。该方式RFID系统的阅读距离一般大于1m，典型情况为47m，最大可达10m以上。读写器天线一般为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签可以被读写。该方式读写器天线和电子标签天线的电磁辐射如图4.2所示。（1）800/900MHz的RFID系统。该频段是实现物联网的主要频段。860960MHz是EPC Gen2标准描述的第二代EPC标签与读写器之间的通信频率。EPC Gen2标准是EPC Global最主要的RFID标准，Gen2标签能够工作在860960MHz频段，世界不同地区分配了不同电磁频谱用于UHF RFID，G
13、en2标准的读写器能适用不同区域的要求。我国根据频率使用的实际状况及相关的试验结果，结合我国相关部门的意见，并经过频率规划专家咨询委员会的审议，规划840845MHz及920925MHz频段用于RFID技术。以目前技术水平来说，无源微波标签比较成功的产品相对集中在800/900MHz频段，特别是902928MHz工作频段上。800/900MHz的设备造价较低。（2）2.45GHz的RFID系统。该频段是实现物联网的主要频段。日本泛在识别UID（Ubiquitous ID）标准体系是射频识别三大标准体系之一，UID使用2.45GHz的RFID系统。（3）5.8GHz的RFID系统。该频段的使用比
14、800/900MHz及2.45GHz频段少。国内外在道路交通方面使用的典型频率为5.8GHz。5.8GHz多为有源电子标签。5.8GHz比800/900MHz的方向性更强。5.8GHz的数据传输速度比800/900MHz更快。5.8GHz相关设备的造价较800/900MHz更高。4.4 低频和高频RFID电磁场的特性低频和高频RFID系统基本上都采用电感耦合识别方式，电感耦合方式的电子标签几乎都是无源的，这意味着电子标签工作的全部能量都要由读写器获得。由于低频和高频RFID的波长较长，电子标签基本都处于读写器天线的近区，电子标签通过感应而不是通过辐射获得信号和能量，因此电子标签与读写器的距离很
15、近，这样电子标签可以获得较大的能量。低频和高频RFID电子标签与读写器的天线基本上都是线圈的形式，两个线圈之间的作用可以理解为变压器的耦合，两个线圈之间的耦合功率传输效率与工作频率、线圈匝数、线圈面积、线圈间的距离和线圈的相对角度等多种因素相关。低频和高频RFID系统起步较早，已经有几十年的应用历史。现在低频和高频RFID系统比较成熟，国内技术与国际技术没有太大差别，国内第二代身份证、城市一卡通和门禁卡等都采用这些频段，是目前应用范围较广的RFID频段。3RFID电磁波的传播机制当有障碍物（包括地面）时，电磁波存在直射、反射、绕射和散射等多种情况，这几种情况是在不同传播环境下产生的。（1）直射
16、、反射、绕射和散射。直射：是指电磁波在自由空间传播，没有任何障碍物。反射：是由障碍物产生的，当障碍物的几何尺寸远大于波长时，电磁波不能绕过该物体，在该物体表面发生反射。当反射发生时，一部分能量被反射回来，另一部分能量透射到障碍物内，反射系数与障碍物的电特性和物理结构有关。绕射：也是由障碍物产生的，电波绕过传播路径上障碍物的现象称为绕射。当障碍物的尺寸与波长相近，且障碍物有光滑边缘时，电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。电磁波的绕射能力与电波相对于障碍物的尺寸相关，波长越大于障碍物尺寸，绕射能力越强。散射：也与障碍物相关，当障碍物的尺寸或障碍物的起伏小于波长，电波传播的过程中遇到数量较大的障碍物时
17、，电磁波发生散射。散射经常发生在粗糙表面、小物体或其他不规则物体的表面。（2）RFID电磁波的传播。当频率达到GHz时，不仅障碍物对电波传播有影响，云雨雾也对电波传播有影响，而且频率越高、波长越短时，云雨雾的影响越大。4衰减与衰落读写器和电子标签所处的环境比较复杂，电波在空间传播时会发生衰减和衰落。衰减和衰落是不同的概念，衰减指发射天线的信号到达接收天线时信号的振幅减小，衰落指接收点的信号随时间随机的起伏。（1）衰减。电波由发射天线到接收天线的过程中，产生衰减的因素很多，主要包括自由空间的传输损耗、障碍物的分隔和阻挡等。自由空间的传输损耗1m10m时，自由空间的传输损耗如表4.3所示。表4.3
18、自由空间的传输损耗读写器与电子标签的距离衰减（900MHz）衰减（2.4GHz）衰减（5.8GHz）1m31.5dB40.0dB47.7dB2m37.6dB46.1dB53.7dB3m41.1dB49.6dB57.3dB4m43.6dB52.1dB59.8dB续表读写器与电子标签的距离衰减（900MHz）衰减（2.4GHz）衰减（5.8GHz）5m45.5dB54.0dB61.7dB6m47.1dB55.6dB63.3dB7m48.4dB57.0dB64.6dB8m49.6dB58.1dB65.8dB9m50.6dB59.1dB66.8dB10m51.5dB60.1dB67.7dB障碍物分隔和
19、阻挡的损耗障碍物的分隔和阻挡也能造成信号衰减，表4.4给出了室内环境下不同频率、不同障碍物造成的平均信号衰减。表4.4室内障碍物分隔和阻挡造成的信号衰减材 料 类 型工 作 频 率信 号 衰 减参 考各种金属815MHz26dB【Cox83b】铝框815MHz20.4dB【Cox83b】混凝土墙1300MHz8-15dB【Rap91c】混凝土地板1300MHz10dB【Rap91c】混凝土墙815MHz3.9dB【Cox83b】金属楼梯1300MHz5dB【Rap91c】轻质织物1300MHz3-5dB【Rap91c】一层楼的损耗1300MHz20-30dB【Rap91c】2有耗媒质中RFID
20、电波衰减在RFID环境中，有时会存在有耗媒质，使电波出现衰减。媒质的电导率越大，RFID的工作频率越高，电波衰减越大。当电波传播遇到潮湿媒质时，如潮湿木材时，电波将出现损耗。当电波传播遇到水时，如水产品时，电波将出现损耗。当电波传播遇到有机物质时，如各种动物时，电波将出现损耗。当电波传播遇到金属时，如铜、铝、铁时，电波将出现非常大的损耗。第6章 RFID中的天线技术天线技术对RFID系统十分重要，是决定RFID系统性能的关键部件。RFID天线可以分为低频、高频、超高频及微波天线，每一频段天线又分为电子标签天线和读写器天线，不同频段天线的结构、工作原理、设计方法和应用方式有很大差异，导致RFID
21、天线种类繁多、应用各异。在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线。微波RFID天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等，同时微波RFID的电子标签较小，天线要求低造价、小型化，因此微波RFID出现了许多天线制作的新技术。为适应世界范围电子标签的快速应用和不断发展，需要提高RFID天线的设计效率，降低RFID天线的制造成本，因此RFID天线大量使用仿真软件进行设计，并采用了多种制作工艺。天线仿真软件功能强大，已经成为天线技术的一个重要手段，天线仿真和测试相结合，可以基本满足RFID天线设计的需要。RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法，这些工艺
22、既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术，天线制作的新工艺可使RFID天线制作成本大大降低，走出应用成本瓶颈，并促进RFID技术进一步发展。6.1 RFID天线的应用及设计现状 RFID天线的应用现状影响RFID天线应用性能的参数主要有天线类型、尺寸结构、材料特性、成本价格、工作频率、频带宽度、极化方向、方向性、增益、波瓣宽度、阻抗问题和环境影响等，RFID天线的应用需要对上述参数加以权衡。1RFID天线应用的一般要求（1）电子标签天线。一般来讲，RFID电子标签天线需要满足如下条件。RFID天线必须足够小，以至于能够附着到需要的物品上。RFID天线必须与电子标签有机地结合成一体，或贴在
23、表面，或嵌入到物体内部。RFID天线的读取距离依赖天线的方向性，一些应用需要标签具备特定的方向性，例如有全向或半球覆盖的方向性，以满足零售商品跟踪等的需要。RFID天线提供最大可能的信号给多种标签的芯片。无论物品在什么方向，RFID天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配。RFID天线具有应用的灵活性。电子标签可能被用在高速的传输带上，此时有多普勒频移，天线的频率和带宽要不影响RFID工作。电子标签在读写器读取区域的时间很少，要求有很高的读取速率，所以RFID系统必须保证标签识别的快速无误。RFID天线具有应用的可靠性。RFID标签必须可靠，并保证因温度、湿度、压力和在标签插入、印刷和层压处理中
24、的存活率。RFID天线的频率和频带。频率和频带要满足技术标准，标签期望的工作频率带宽依赖于标签使用地的规定。RFID天线具有鲁棒性。RFID天线非常便宜。RFID标签天线必须是低成本，这约束了天线结构和根据结构使用的材料。标签天线多采用铜、铝或银油墨。（2）读写器天线。读写器天线即可以与读写器集成在一起，也可以采用分离式。对于远距离系统，天线和读写器采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。读写器天线设计要求低剖面、小型化。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展。读写器天线设计要求多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。目前国
25、际上已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵。2RFID天线的极化不同的RFID系统采用的天线极化方式不同。有些应用可以采用线极化，例如在流水线上，这时电子标签的位置基本上是固定不变的，电子标签的天线可以采用线极化方式。但在大多数场合，由于电子标签的方位是不可知的，所以大部分RFID系统采用圆极化天线，以使RFID系统对电子标签的方位敏感性降低。3RFID天线的方向性RFID系统的工作距离，主要与读写器给电子标签的供电有关。随着低功耗电子标签芯片技术的发展，电子标签的工作电压不断降低，所需功耗很小，这使得进一步增大系统工作距离的潜能转移到天线上，这就要求有方向性较强的天线。如果天线波瓣宽度越
26、窄，天线的方向性越好，天线的增益越大，天线作用的距离越远，抗干扰能力越强，但同时天线的覆盖范围也就越小。4RFID天线的阻抗问题为了以最大功率传输，芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，天线设计多采用50 或75 的阻抗匹配，但是可能还有其他情况。例如，一个缝隙天线可以设计几百欧姆的阻抗；一个折叠偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的几倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个40100 的阻抗范围。5RFID的环境影响电子标签天线的特性，受所标识物体的形状和电参数影响。例如，金属对电磁波有衰减作用，金属表面对电磁波有反射作用，弹性衬底会造成天线变形等，这些影响在天线设计与应用中必须
27、加以解决。以在金属物体表面使用天线为例，目前有价值的解决方案有两个，一个是从天线的形式出发，采用微带贴片天线或倒F天线等，另一个是采用双层介质、介质覆盖或电磁带隙等 RFID天线的设计现状在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线的设计要求和面临的技术问题是不同的。1RFID电子标签天线的设计电子标签天线的设计目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细设计天线和自由空间的匹配，以及天线与标签芯片的匹配。当工作频率增加到微波波段，天线与电子标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。一直以来，电子标签天线的开发是基于50 或者75 输入阻抗，而在RFID应用中，芯片的输入阻抗可能是
28、任意值，并且很难在工作状态下准确测试，缺少准确的参数，天线的设计难以达到最佳。电子标签天线的设计还面临许多其他难题，如相应的小尺寸要求，低成本要求，所标识物体的形状及物理特性要求，电子标签到贴标签物体的距离要求，贴标签物体的介电常数要求，金属表面的反射要求，局部结构对辐射模式的影响要求等，这些都将影响电子标签天线的特性，都是电子标签设计面临的问题。2RFID读写器天线的设计对于近距离RFID系统（如13.56MHz小于10cm的识别系统），天线一般和读写器集成在一起；对于远距离RFID系统（如UHF频段大于3m的识别系统），天线和读写器常采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆将读写器和天线连
29、接到一起。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，并且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展，使得读写器天线的设计面临新的挑战。读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及天线阵的设计问题，小型化带来的低效率、低增益问题等，这些目前是国内外共同关注的研究课题。目前已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，通过智能天线使系统能够感知天线覆盖区域的电子标签，增大系统覆盖范围，使读写器能够判定目标的方位、速度和方向信息，具有空间感应能力。3RFID天线的设计步骤RFID电子标签天线的性能，很大程度依赖于芯片的复数阻抗，复数阻抗是随频率变换
30、的，因此天线尺寸和工作频率限制了最大可达到的增益和带宽，为获得最佳的标签性能，需要在设计时做折衷，以满足设计要求。在天线的设计步骤中，电子标签的读取范围必须严密监控，在标签构成发生变更或不同材料不同频率的天线进行性能优化时，通常采用可调天线设计，以满足设计允许的偏差。设计RFID天线时，首先选定应用的种类，确定电子标签天线的需求参数；然后根据电子标签天线的参数，确定天线采用的材料，并确定了电子标签天线的结构和ASIC封装后的阻抗；最后采用优化的方式，使ASIC封装后的阻抗与天线匹配，综合仿真天线的其他参数，让天线满足技术指标，并用网络分析仪检测各项指标。RFID电子标签天线的设计步骤如图6.1
31、所示。很多天线因为使用环境复杂，使得RFID天线的解析方法也很复杂，天线通常采用电磁模型和仿真工具来分析。天线典型的电磁模型分析方法为有限元法FEM、矩量法MOM和时域有限差分法FDTD等。仿真工具对天线的设计非常重要，是一种快速有效的天线设计工具，目前在天线技术中使用越来越多。典型的天线设计方法，首先是将天线模型化，然后将模型仿真，在仿真中监测天线射程、天线增益和天线阻抗等，并采用优化的方法进一步调整设计，最后对天线加工并测量，直到满足要求。6.2 低频和高频RFID天线技术在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线，线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以耦合到另一个线圈，因此读写
32、器天线与电子标签天线之间采用电感耦合的方式工作。读写器天线与电子标签天线是近场耦合，电子标签处于读写器的近区，当超出上述范围时，近场耦合便失去作用，开始过渡到远距离的电磁场。当电子标签逐渐远离读写器，处于读写器的远区时，电磁场将摆脱天线，并作为电磁波进入空间。本节所讨论的低频和高频RFID天线，是基于近场耦合的概念进行设计。 低频和高频RFID天线的结构和图片低频和高频RFID天线可以有不同的构成方式，并可以采用不同的材料。图6.2所示为几种实际RFID低频和高频天线的图片，由这些图片可以看出各种RFID天线的结构，同时这些图片还给出了与天线相连的芯片。由图6.2可以看出，低频和高频RFID天
33、线有如下特点。（1）天线都采用线圈的形式。（2）线圈的形式多样，可以是圆形环，也可以是矩形环。（3）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。（4）有些天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。（5）由天线和芯片构成的电子标签，可以比拇指还小。（6）由天线和芯片构成的电子标签，可以在条带上批量生产。 低频和高频RFID天线的磁场安培从实验中总结出，电流在周围产生了磁场。电流周围磁场的存在方式，与电流的分布有关，不同的电流分布，在周围会产生不同的磁感应强度。1直线周围产生的磁场根据安培定律，长直电流周围将产生磁场强度，磁场强度为：磁感应强度与磁场强度的关系为：式（6.2
34、）中， （亨/米），称为真空中的磁导率； 称为相对磁导率，用来描述媒质的参数。长直电流周围产生的磁场如图6.3所示。2圆形线圈周围产生的磁场很多低频和高频RFID天线是圆环结构，采用了短圆柱形线圈，短圆柱形线圈在周围产生的磁场为：式（6.3）中，R为线圈的半径，Z为在线圈中心轴线上距线圈圆心的距离，I为圆形线圈上的电流，N为圆形线圈的圈数。短圆柱形线圈的结构和在周围产生的磁场如图 6.4所示。短圆柱形线圈周围的磁场有如下特点。（1）磁场与线圈的圈数 有关，线圈的圈数越大，磁场越强。一般低频线圈的圈数较多，有几百至上千圈；高频线圈的圈数较少，有几至几十圈。（2）当被测点沿线圈轴 离开线圈时，如果
35、 ，磁场的强度几乎不变。当Z=0时，磁场的公式简化为：（3）当被测点沿线圈轴 离开线圈较大时，即 时，磁场强度的衰减与Z的三次方成比例，衰减比较急剧，衰减约为60dB/10倍距离。这时磁场的公式简化为3矩形线圈周围产生的磁场有些低频和高频RFID天线是矩形线圈结构，当被测点沿线圈轴离开线圈Z时，矩形线圈结构在轴线产生的磁场为3矩形线圈周围产生的磁场有些低频和高频RFID天线是矩形线圈结构，当被测点沿线圈轴离开线圈Z时，矩形线圈结构在轴线产生的磁场为式（6.6）中，a和b为矩形线圈的两个边长，Z为在线圈中心轴线上距线圈中心的距离，i为矩形上线圈的电流，N为矩形线圈的圈数。计算结果证实，当被测点沿
36、线圈轴Z离开线圈时，如果 及 ，即在与线圈的距离较近时，磁场的强度几乎不变。当被测点沿线圈轴 离开线圈较大时，磁场强度的衰减比较急剧。 低频和高频RFID天线的最佳尺寸线圈天线的最佳尺寸，是指线圈上的电流I为常数，且与天线的距离Z为常数时，线圈的尺寸与磁场的关系。下面以圆环形线圈为例，讨论线圈的最佳尺寸。为从数学上讨论最大磁场与线圈尺寸的关系，需要对式（6.3）中的磁场求导，计算出磁场的拐点。计算的结果表明，最大磁场与线圈尺寸的关系为：式（6.7）表明，当距离Z为常数时，如果线圈的半径为 ，可以获得最大磁场。也就是说，当线圈的半径R为常数时，如果距离为 ，可以获得最大磁场。虽然增大线圈的半径R
37、，会在线圈的较远处Z获得最大的磁场，但由式（6.3）可以看出，随着距离Z的增大，会使磁场值减小，影响电子标签与读写器线圈之间的耦合强度，导致对电子标签能量的供给降低。6.3 微波RFID天线技术微波RFID技术是目前RFID技术最为活跃和发展最为迅速的领域，微波RFID天线与低频、高频RFID天线相比有本质上的不同。微波RFID天线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子标签天线之间的距离较远，一般超过1m，典型值为110m；微波RFID的电子标签较小，使天线的小型化成为设计的重点；微波RFID天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等；微波RFID天线要求低造价，因此
38、出现了许多天线制作的新技术。 微波RFID天线的结构、图片和应用方式微波RFID天线结构多样，是物联网天线的主要形式，可以应用在制造、物流、防伪和交通等多种领域，是现在RFID天线的主要形式。1微波RFID天线的结构和图片图6.5给出了几种实际RFID微波天线的图片，由这些图片可以看出各种微波RFID天线的结构以及与天线相连的芯片。由图6.5可以看出，微波RFID天线有如下特点。（1）微波RFID天线的结构多样。（2）很多电子标签天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。（3）天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。（4）由天线和芯片构成的电子标签，很多是在条带上批
39、量生产。（5）由天线和芯片构成的电子标签尺寸很小。（6）有些天线提供可扩充装置，来提供短距离和长距离的RFID电子标签。2微波RFID天线的应用方式微波RFID天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波RFID天线在跟踪纸箱过程中的使用方法。（1）纸箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。（2）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防止电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。（3）在仓库门口，放置3个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从而完成物品识别与跟踪的任务。微波RFID天线在纸箱跟踪中的应用如图6.6所示。 微波RFID天线
40、的设计（1）微波RFID天线的设计，需要考虑天线采用的材料、天线的尺寸、天线的作用距离，并需要考虑频带宽度、方向性和增益等电参数。微波RFID天线主要采用偶极子天线、微带天线、非频变天线和阵列天线等，下面对这些天线加以讨论。1弯曲偶极子天线偶极子天线即振子天线，是微波RFID常用的天线。为了缩短天线的尺寸，在微波RFID中偶极子天线常采用弯曲结构。弯曲偶极子天线纵向延伸方向至少折返一次，从而具有至少两个导体段，每个导体段分别具有一个延伸轴，这些导体段借助于一个连接段相互平行且有间隔地排列，并且第一导体段向空间延伸，折返的第二导体段与第一导体段垂直，第一和第二导体段扩展成一个导体平面。弯曲偶极子
41、天线如图6.7所示。因为尺寸和调谐的要求，偶极子天线采用弯曲结构是一个自然的选择。弯曲允许天线紧凑，并提供了与弯曲轴垂直平面上的全向性能。为更好控制天线电阻，增加了一个同等宽度的载荷棒作为弯曲轮廓；为供给芯片一个好的电容性阻抗，需进一步弯曲截面；弯曲轮廓的长度和载荷棒可以变更，以获得适宜的阻抗匹配。弯曲天线有几个关键的参数，如载荷棒宽度、距离、间距、弯曲步幅宽度和弯曲步幅高度等，如图6.7所示。通过调整上述参数，可以改变天线的增益和阻抗，并改变电子标签的谐振、最高射程和带宽。图6.8给出了一种最高射程与频率的曲线关系。2微带天线微波RFID常采用微带天线。微带天线是平面型天线，具有小型化、易集
42、成、方向性好等优点，可以做成共形天线，易于形成圆极化，制作成本低，易于大量生产。微带天线按结构特征分类，可以分为微带贴片天线和微带缝隙天线两大类；微带天线按形状分类，可以分为矩形、圆形和环形微带天线等；微带天线按工作原理分类，可以分成谐振型（驻波型）和非揩振型（行波型）微带天线。下面将微带天线分为3种基本类型进行讨论，这3种类型分别是微带驻波贴片天线、微带行波贴片天线和微带缝隙天线。（1）微带驻波贴片天线。微带贴片天线（MPA）是由介质基片、在基片一面上任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。贴片形状可以是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到某种
43、形状的微带贴片天线，为使微带天线适用于各种特殊用途，对各种几何形状的微带贴片天线进行分析就具有相当的重要性。各种微带贴片天线的贴片形状如图6.9所示。（2）微带行波贴片天线。微带行波天线（MTA）是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线和基片另一面上的地板组成。TEM波传输线的末端接匹配负载，当天线上维持行波时，可从天线结构设计上使主波束位于从边射到端射的任意方向。各种微带行波天线的形状如图6.10所示。（3）微带缝隙天线。微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成，微带缝隙天线是把接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电，缝隙可以是矩形（宽的或窄
44、的）、圆形或环形。各种微带缝隙天线的形状如图6.11所示。图6.11 各种微带缝隙天线的形状6.5 RFID天线的制造工艺为适应世界范围电子标签的快速应用和发展，RFID天线采用了多种制作工艺，这些工艺既有传统的制作方法，也有近年来发展起来的新技术。RFID标签天线应该具有低成本、高效率和低污染的特性，并应考虑各种工艺对参数的影响，通过导电材料选取、网版选用和基材选择等，结合实际工艺方法和工艺实验，制作出天线实物。RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法。低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；高频RFID电子标签天线利用以上3种方式均可实现，但以蚀刻天线为主，其材料一
45、般为铝或铜；UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主。各种标签天线制作工艺都有优缺点，下面将对各种工艺加以介绍。 线圈绕制法利用线圈绕制法制作RFID天线时，要在一个绕制工具上绕制标签线圈，并使用烤漆对其进行固定，此时天线线圈的匝数一般较多。将芯片焊接到天线上之后，需要对天线和芯片进行粘合，并加以固定。线圈绕制法制作的RFID天线如图6.19所示。线圈绕制法的特点如下。（1）频率范围为125134kHz的RFID电子标签，只能采用这种工艺，线圈的圈数一般为几百到上千。（2）这种方法的缺点是成本高，生产速度慢。（3）高频RFID天线也可以采用这种工艺，线圈的圈数一般为几到几十。（4）UHF天
46、线很少采用这种工艺。（5）这种方法天线通常采用焊接的方式与芯片连接，此种技术只有在保证焊接牢靠、天线硬实、模块位置十分准确以及焊接电流控制较好的情况下，才能保证较好的连接。由于受控的因素较多，这种方法容易出现虚焊、假焊和偏焊等缺陷。 蚀刻法蚀刻法是在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片，然后在铜箔片上涂覆光敏胶，干燥后通过一个正片（具有所需形状的图案）对其进行光照，然后放入化学显影液中，此时感光胶的光照部分被洗掉，露出铜，最后放入蚀刻池，所有未被感光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉，从而得到所需形状的天线。蚀刻法制作的RFID天线如图6.20所示。蚀刻法的特点如下。（1）蚀刻天线精度高，能够与读写机的询问信号相匹配，天线的阻抗、方向性等性能等都很好，天线性能优异且稳定。（2）这种方法的缺点就是成本太高，制做程序繁琐，产能低下。（3）高频RFID标签常采用这种工艺。（4）蚀刻的RFID标签耐用年限为十年以上。 印刷法印刷天线是直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路，形成天线和电路。目前印刷天线的主要印刷方法已从只用丝网印刷，扩展到胶印印刷、柔性版印刷和凹印印刷等，较为成熟的制作工艺为网印技术与凹印技术。印刷天线技术的进步，使RFID标签的生产成本降低，从而促进了RFID电子标签的应用。印刷天线技术可以用于大量制造13.56MHz和UHF频段的RFID电子标签。该工艺的优点是产出最大，成本