1 引言
射頻識(shí)別是一種使用射頻技術(shù)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有傳輸速率快、防沖撞、大批量讀取、運(yùn)動(dòng)過(guò)程讀取等優(yōu)勢(shì)，因此，RFID技術(shù)在物流與供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理與控制、防偽與安全控制、交通管理與控制等各領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力。目前，射頻識(shí)別技術(shù)的工作頻段包括低頻、高頻、超高頻及微波段，其中以高頻和超高頻的應(yīng)用最為廣泛。
2 RFID技術(shù)原理
RFID系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器(target)、應(yīng)答器(RFID標(biāo)簽)和后臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，其中，讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)，由控制單元、高頻通信模塊和天線(xiàn)組成，標(biāo)簽主要由一塊集成電路芯片及外接天線(xiàn)組成，其中電路芯片通常包含射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路。標(biāo)簽按照供電原理可分為有源(active)標(biāo)簽、半有源(semi．a(chǎn)ctive)標(biāo)簽和無(wú)源(passive)標(biāo)簽，無(wú)源標(biāo)簽因?yàn)槌杀镜汀Ⅲw積小而備受青睞。
RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器發(fā)射射頻場(chǎng)后，將天線(xiàn)獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路后作為芯片的電源．同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過(guò)射頻前端電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行處理，需要回復(fù)的信息則從標(biāo)簽存儲(chǔ)器發(fā)出，經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)回讀寫(xiě)器。
3 RFID系統(tǒng)中的天線(xiàn)
從RFID技術(shù)原理上看，RFID標(biāo)簽性能的關(guān)鍵在于RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的特點(diǎn)和性能。在標(biāo)簽與讀寫(xiě)器數(shù)據(jù)通信過(guò)程中起關(guān)鍵作用是天線(xiàn)，一方面，標(biāo)簽的芯片啟動(dòng)電路開(kāi)始工作，需要通過(guò)天線(xiàn)在讀寫(xiě)器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量；另一方面，天線(xiàn)決定了標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的通信信道和通信方式。因此，天線(xiàn)尤其是標(biāo)簽內(nèi)部天線(xiàn)的研究就成為了重點(diǎn)。
3．1RFID系統(tǒng)天線(xiàn)的類(lèi)別
按RFID標(biāo)簽芯片的供電方式來(lái)分，RFID標(biāo)簽天線(xiàn)可以分為有源天線(xiàn)和無(wú)源天線(xiàn)兩類(lèi)。有源天線(xiàn)的性能要求較無(wú)源天線(xiàn)要低一些，但是其性能受電池壽命的影響很大：無(wú)源天線(xiàn)能夠克服有源天線(xiàn)受電池限制的不足．但是對(duì)天線(xiàn)的性能要求很高。目前，RFID天線(xiàn)的研究重點(diǎn)是無(wú)源天線(xiàn)。從RFID系統(tǒng)工作頻段來(lái)分．在LF、HF段f如6．78MHz、13．56MHz)I作的RFID系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在感應(yīng)場(chǎng)
區(qū)域(似穩(wěn)場(chǎng))中完成，也稱(chēng)為感應(yīng)耦合系統(tǒng)；在UHF段(如915MHz、2400Mttz)Z作的系統(tǒng)，電磁能量的傳送是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域(輻射場(chǎng))中完成，也稱(chēng)為微波輻射系統(tǒng)。由于兩種系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳送方式不同，對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽天線(xiàn)及前端部分存在各自特殊性，因此標(biāo)簽天線(xiàn)分為近場(chǎng)感應(yīng)線(xiàn)圈天線(xiàn)和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線(xiàn)。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用的是近場(chǎng)感應(yīng)線(xiàn)圈天線(xiàn)，由多匝電感線(xiàn)圈組成，電感線(xiàn)圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量；微波輻射系統(tǒng)使用的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線(xiàn)的種類(lèi)主要是偶極子天線(xiàn)和縫隙天線(xiàn)，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線(xiàn)通常是諧振式的，一般取半波長(zhǎng)。
天線(xiàn)的形狀和尺寸決定它能捕捉的頻率范圍等性能，頻率越高，天線(xiàn)越靈敏，占用的面積也越少。較高的工作頻率可以有較小的標(biāo)簽尺寸，與近場(chǎng)感應(yīng)天線(xiàn)相比，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射天線(xiàn)的輻射效率較高。
3．2RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求
RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求主要包括：天線(xiàn)的物理尺寸足夠小，能滿(mǎn)足標(biāo)簽小型化的需求；具有全向或半球覆蓋的方向性；具有高增益，能提供最大的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；阻抗匹配好，無(wú)論標(biāo)簽在什么方向，標(biāo)簽天線(xiàn)的極化都能與讀寫(xiě)器的信號(hào)相匹配；具有頑健性及低成本。在選擇天線(xiàn)時(shí)主要考慮：天線(xiàn)的類(lèi)型，天線(xiàn)的阻抗，應(yīng)用到物品上的RF性能，當(dāng)有其他物品圍繞標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能。
4 RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的類(lèi)別和研究現(xiàn)狀
標(biāo)簽天線(xiàn)主要分為3大類(lèi)：線(xiàn)圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線(xiàn)圈型天線(xiàn)是將金屬線(xiàn)盤(pán)繞成平面或?qū)⒔饘倬€(xiàn)纏繞在磁心上；偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線(xiàn)排成一條直線(xiàn)構(gòu)成，信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋人，天線(xiàn)的長(zhǎng)度決定頻率范圍；縫隙型天線(xiàn)是由金屬表面切出的凹槽構(gòu)成，其中微帶貼片天線(xiàn)由一塊末端帶有長(zhǎng)方形的電路板構(gòu)成，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)寬決定頻率范圍。
識(shí)別距離小于1m的中低頻近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線(xiàn)一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線(xiàn)圈型天線(xiàn)；1I1以上的高頻或微波頻段的遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)需要采用偶極子和縫隙型天線(xiàn)。
4．1線(xiàn)圈型天線(xiàn)
當(dāng)標(biāo)簽線(xiàn)圈天線(xiàn)進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中，標(biāo)簽天線(xiàn)與讀寫(xiě)器天線(xiàn)之間的相互作用就類(lèi)似于變壓器。兩者的線(xiàn)圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈。
標(biāo)簽和讀寫(xiě)器雙向通信使用的載波頻率就是．當(dāng)要求標(biāo)簽天線(xiàn)線(xiàn)圈外形很小，即面積小，且需一定的工作距離，RFID標(biāo)簽與讀寫(xiě)器問(wèn)的天線(xiàn)線(xiàn)圈互感量(就明顯不能滿(mǎn)足實(shí)際需求，可以在標(biāo)簽天線(xiàn)線(xiàn)圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率㈥的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線(xiàn)圈橫截面小的問(wèn)題”。目前線(xiàn)圈型天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)已很成熟，廣泛地應(yīng)用在身份識(shí)別、貨物標(biāo)簽等RFID系統(tǒng)中，但是對(duì)于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場(chǎng)合，采用線(xiàn)圈型天線(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo)。
4．2偶極子天線(xiàn)
偶極子天線(xiàn)具有輻射能力好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)嘲，可以設(shè)計(jì)成適用于全方位通信的RFID系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)，尤其是在遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中。
傳統(tǒng)半波偶極子天線(xiàn)的最大問(wèn)題在于對(duì)標(biāo)簽尺寸的影響，如915MHz的半波偶極子。研究表明，端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線(xiàn)可以通過(guò)選擇合適的幾何參數(shù)來(lái)獲得所需的輸入阻抗，具有增益高、頻率覆蓋寬和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，性能非常出色，且與傳統(tǒng)半波偶極子天線(xiàn)相比尺寸要小很多，若配合銅焊電氣端子和不平衡變壓器，還能最大限度地提升增益、阻抗匹配和帶寬。已知增加天線(xiàn)的彎折次數(shù)有利于在不降低天線(xiàn)效率的情況下減小天線(xiàn)尺寸，那么，如何在有限的空問(wèn)下進(jìn)行“彎折”，“彎折”的具體參數(shù)對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的諧振頻率和輸入阻抗有何影響?怎樣“彎折”的RF效率最高?
我們知道。具有分形結(jié)構(gòu)的物體一般都有比例自相似性和空間填充性的特點(diǎn)，應(yīng)用到天線(xiàn)設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)多頻段特性和尺寸縮減特性。國(guó)內(nèi)外對(duì)具有分形結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)做了大量研究工作，證實(shí)了分形結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)具有良好的尺寸縮減特性，可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線(xiàn)效率網(wǎng)。
對(duì)半波振子的不同位置和維度使用Hilbert分形變換，并用矩量法對(duì)Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真，能得到標(biāo)簽天線(xiàn)的諧振頻率和輸入阻抗隨分形維數(shù)和階數(shù)不同的仿真結(jié)果，分析結(jié)果中的天線(xiàn)增益和效率，判斷哪種維度和階數(shù)的標(biāo)簽天線(xiàn)最符合實(shí)際標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步制作實(shí)體天線(xiàn)，并測(cè)試RF識(shí)別距離，這是常用的研究方法。
4．3縫隙(包括微帶貼片)型天線(xiàn)
縫隙天線(xiàn)具有低輪廓、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡(jiǎn)化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。
微帶貼片天線(xiàn)是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成，根據(jù)天線(xiàn)輻射特性，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀。普遍應(yīng)用于頻率高于100MHz的低輪廓結(jié)構(gòu)，通常由一矩形或方形的金屬貼片置于接地平面上的一片薄層電介質(zhì)(稱(chēng)為基片)表面所組成，其貼片可采用光刻工藝制造，使之成本低，易于大量生產(chǎn)。
如前所述，彎折型天線(xiàn)有利于減小標(biāo)簽天線(xiàn)的物理尺寸，滿(mǎn)足標(biāo)簽小型化的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于縫隙天線(xiàn)來(lái)說(shuō)．同樣可以利用彎折的概念。事實(shí)上．彎折縫隙天線(xiàn)適用于高頻微波段的RFID標(biāo)簽，能有效減小天線(xiàn)尺寸．性能優(yōu)良．具有廣闊的市場(chǎng)前景。研究方法和彎折偶極子天線(xiàn)類(lèi)似，用矩量法研究縫隙彎折的次數(shù)、高度、位置、寬度和縫隙天線(xiàn)平片大小對(duì)矩形天線(xiàn)諧振特性的影響。
彎折縫隙天線(xiàn)，平片大小為L(zhǎng)xW，縫隙彎折寬度和高度分別為s和h，縫隙離饋電點(diǎn)中心距離為，，下面討論這些參數(shù)的變化對(duì)縫隙天線(xiàn)的諧振特性、反射系數(shù)、天線(xiàn)效率等影響。
基于彎折的各參數(shù)對(duì)縫隙天線(xiàn)性能的影響，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)UHF射頻識(shí)別標(biāo)簽用的縫隙天線(xiàn)，制作具體的實(shí)物天線(xiàn)。可以預(yù)計(jì)，彎折縫隙天線(xiàn)將是UHF標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域比較看好的發(fā)展方向。
5 RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的熱點(diǎn)問(wèn)題
在RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，除了一直很受重視的減小物理尺寸問(wèn)題，進(jìn)一步改善小型化后的天線(xiàn)帶寬和增益特性以擴(kuò)展其實(shí)際應(yīng)用范圍，分析小型化天線(xiàn)的交叉極化特性以明確其極化純度也是重要的研究方向，另外．覆蓋各種頻率的復(fù)合天線(xiàn)設(shè)計(jì)，多標(biāo)簽天線(xiàn)優(yōu)化分布技術(shù)，讀寫(xiě)器智能波束掃描天線(xiàn)陣技術(shù)，設(shè)計(jì)仿真軟件和平臺(tái)，標(biāo)簽天線(xiàn)和附著介質(zhì)匹配技術(shù)，一致性抗干擾性和安全可靠性技術(shù)等都是值得繼續(xù)研究的內(nèi)容。
其中，片上天線(xiàn)技術(shù)是近期研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。RFID技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，使RFID標(biāo)簽對(duì)小型化、輕量化、多功能、低功耗和低成本方面的要求也不斷提高．然而目前的RFID標(biāo)簽仍然使用片外獨(dú)立天線(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是天線(xiàn)Q(品質(zhì)因素)值較高、易于制造、成本適中。缺點(diǎn)是體積較大、易折斷，不能勝任防偽或以生物標(biāo)簽形式植入動(dòng)物體內(nèi)等任務(wù)f6]。若能將天線(xiàn)集成在標(biāo)簽芯片上，無(wú)需任何外部器件即可進(jìn)行工作，將會(huì)使整個(gè)標(biāo)簽體積更小、使用更方便，這就引發(fā)了片上天線(xiàn)技術(shù)的研究。
把天線(xiàn)集成到片上，不僅簡(jiǎn)化了原有的標(biāo)簽制作流程，降低了成本，還提高了可靠性。片上天線(xiàn)作為能量接收器和信號(hào)傳感器決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，它的基本出發(fā)點(diǎn)是利用法拉第電磁感應(yīng)原理。把外界變化的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為片上的電源電壓，作為整個(gè)芯片的工作電源，同時(shí)利用電磁場(chǎng)變化引起的片上電流或電壓的變化來(lái)鑒別接收信號(hào)。通過(guò)改變由于自身輸出阻抗導(dǎo)致的外界磁場(chǎng)變化而把．信號(hào)傳輸至接收端。迄今為止，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)的片上天線(xiàn)仍然以硅基集成螺旋電感作為主要結(jié)構(gòu)。
除了RFID標(biāo)簽內(nèi)部的設(shè)計(jì)，例如RFID智能平臺(tái)(smarttable)天線(xiàn)等領(lǐng)域的研究也日漸受到重視。