射頻識別技術(shù)及射頻天線的介紹

發(fā)布時間: 2021-05-10 10:36:34 |

1.射頻識別技術(shù)簡介

射頻識別技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，具有傳輸速度快，防撞，批量讀取和移動過程讀取的優(yōu)點。它至少包含兩個部分，一是讀寫器，二是射頻標(biāo)簽，另外還應(yīng)包括射頻天線、主機等。RFID技術(shù)被用于物流和供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理、防偽與安全控制管理、交通管理與控制等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前，射頻識別技術(shù)的工作頻帶包括低頻，高頻，超高頻和微波范圍，其中高頻和超高頻是使用廣泛的。

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2 RFID技術(shù)原理

RFID系統(tǒng)的基本工作原理如下。射頻標(biāo)簽進入讀寫器并發(fā)送射頻場之后，從天線獲得的感應(yīng)電流將在升壓電路之后用作芯片的電源，并且感應(yīng)電流將與信息一起，通過射頻前端電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。當(dāng)進入邏輯控制電路進行處理時，需要響應(yīng)的信息將從標(biāo)簽存儲器中傳輸出來，并通過邏輯發(fā)送回RF前端電路?？刂齐娐纷罱K通過天線發(fā)送回讀寫器。

3.RFID系統(tǒng)的天線

在射頻識別技術(shù)方面，RFID標(biāo)簽性能的關(guān)鍵是RFID標(biāo)簽天線的特性和性能。天線在標(biāo)簽和閱讀器之間的數(shù)據(jù)通信中起著重要作用。一方面，標(biāo)簽的芯片啟動電路開始工作，并因此需要從讀取器產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量。另一方面，天線確定標(biāo)簽和讀取器之間的通信信道和通信方法。因此，重點一直放在天線上，尤其是標(biāo)簽的內(nèi)部天線上。

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3.1 RFID系統(tǒng)天線的類型

根據(jù)RFID標(biāo)簽芯片的供電方式，可以將RFID標(biāo)簽天線分為有源天線和無源天線。有源天線對性能的要求低于無源天線，但性能會受到電池壽命的極大影響。無源天線可以克服電池受限有源天線的缺點，但需要較高的天線性能。當(dāng)前，RFID天線的研究重點是無源天線。在RFID系統(tǒng)的工作頻率下，電磁能量的傳輸在RFID系統(tǒng)的LF，HF部分F（例如，6.78 MHz，13.56 MHz）的感應(yīng)場區(qū)域（類似于穩(wěn)定場）中完成。它被稱為感應(yīng)耦合系統(tǒng)。由于兩個系統(tǒng)的能量產(chǎn)生和傳輸方法不同，相應(yīng)的RFID標(biāo)簽天線和前端部分具有獨特的特性，因此標(biāo)簽天線分為近場感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用由多匝感應(yīng)線圈組成的近場感應(yīng)線圈天線，與電感線圈并聯(lián)連接的電容器通過形成并聯(lián)諧振環(huán)路來組合最大的射頻能量。

在微波輻射系統(tǒng)中使用的場輻射天線主要是偶極天線和縫隙天線，而遠(yuǎn)場輻射天線通常是諧振的，通常是半波長。天線的形狀和尺寸決定了可以捕獲的頻率范圍的性能，頻率越高，天線越敏感，占用的面積越小。工作頻率越高，標(biāo)簽尺寸越小，并且遠(yuǎn)場輻射天線的輻射效率比近方向天線高。

3.2 RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計要求

RFID標(biāo)簽天線的設(shè)計要求主要如下：天線的物理尺寸足夠小，可以滿足標(biāo)簽小型化的需求。它具有全向或半球范圍的方向性。它具有高增益，可以向芯片提供最大的信號。標(biāo)簽，阻抗匹配很好，無論標(biāo)簽處于哪個方向，標(biāo)簽天線的極化都可以匹配來自閱讀器的信號。它堅固且便宜。選擇天線時，主要考慮因素是天線類型，天線阻抗，應(yīng)用于該物品的RF性能以及帶有標(biāo)簽的物品周圍還有其他物品時的RF性能。

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4 RFID標(biāo)簽天線類別和研究現(xiàn)狀

標(biāo)簽天線主要分為三類：線圈型，偶極子型和縫隙（帶微帶貼片）型。線圈天線是金屬線繞平面或磁芯的繞線。偶極天線由兩條厚度和長度相同的直線排列成一條直線，信號以兩個端點為中心。天線的長度決定了頻率范圍?？p隙天線由從金屬表面切出的凹槽組成，微帶貼片天線由末端帶有矩形的電路板組成。矩形的長度和寬度確定頻率范圍。

識別距離小于1m的中低頻短距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單，成本低廉的線圈型天線，而高頻或遠(yuǎn)距離應(yīng)用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)1I1則采用這種方法。上面的微波頻段應(yīng)使用偶極子和縫隙天線。

4.1線圈天線

當(dāng)標(biāo)簽線圈天線進入閱讀器產(chǎn)生的交變磁場時，標(biāo)簽天線和閱讀器天線之間的相互作用類似于變壓器。兩個線圈都對應(yīng)于變壓器的初級線圈和次級線圈。

標(biāo)簽和讀取器之間的雙向通信所使用的載波頻率是標(biāo)簽的天線線圈的外觀需要較小時，即面積較小且需要一定的工作距離時。 RFID標(biāo)簽和閱讀器之間的天線線圈電感（顯然不能滿足實際要求）。如有必要，可以將具有高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料插入標(biāo)簽天線線圈，以增加互感，以補償較小的互感。線圈天線的當(dāng)前實現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成熟，并廣泛用于RFID系統(tǒng)中，例如識別和貨物標(biāo)簽。對于用于高頻，大型RFID應(yīng)用的線圈天線，很難實現(xiàn)該性能指標(biāo)。信息量大，工作距離和方向不確定。

4.2偶極天線

偶極天線具有輻射好，結(jié)構(gòu)簡單，效率高的優(yōu)點，可以設(shè)計成適合全向通信的RFID系統(tǒng)，特別是在長距離射頻識別技術(shù)的RFID標(biāo)簽天線設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)半波偶極子天線最大的問題是它們對標(biāo)簽尺寸的影響，例如915MHz半波偶極子。研究表明，端接，傾斜和折疊的偶極天線可以通過選擇適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)來達(dá)到所需的輸入阻抗，這具有高增益，寬頻率范圍和低噪聲的優(yōu)點。它具有出色的性能，并與比較產(chǎn)品兼容。使用傳統(tǒng)的半波偶極天線，其尺寸要小得多，并且如果與釬焊的電氣端子和平衡-不平衡變壓器匹配，您甚至可以最大化增益，阻抗匹配和帶寬。眾所周知，增加天線的彎曲數(shù)量可以幫助減小天線尺寸而不損害天線效率。那么，在狹窄空間中的“彎曲”方式是什么？某些“彎曲”參數(shù)會影響標(biāo)簽的共振。天線頻率和輸入阻抗有什么影響？如何“彎曲”最佳射頻效率？

我們知道具有分形結(jié)構(gòu)的物體通常具有成比例的自相似性和空間填充特性，并且當(dāng)應(yīng)用于天線設(shè)計時，可以獲得天線的多頻帶特性和尺寸減小特性。國內(nèi)外對具有分形結(jié)構(gòu)的天線已經(jīng)進行了大量研究，并且已經(jīng)證明具有分形結(jié)構(gòu)的天線具有出色的尺寸減小特性，并且可以在有限的空間內(nèi)極大地改善天線效率網(wǎng)絡(luò)。

通過對半波振蕩器的各個位置和尺寸使用希爾伯特分形變換，并采用矩量法對希爾伯特標(biāo)簽天線進行仿真，可以得到分形維數(shù)和階數(shù)不同的標(biāo)簽天線的諧振頻率和輸入阻抗。仿真結(jié)果是分析結(jié)果，這是確定適合實際標(biāo)簽天線設(shè)計要求的標(biāo)簽天線的尺寸和順序，另外制造物理天線并測試RF識別距離的常用研究方法。

4.3插槽（帶微帶貼片）天線

縫隙天線具有高度低，重量輕，加工簡單，易于裝入物體，批量生產(chǎn)，各種電氣性能，寬帶以及帶有集成電路的有源器件和元件等特點，適合批量生產(chǎn)并且可以簡化。整機的生產(chǎn)和調(diào)試，從而大大降低了成本。

微帶貼片天線由輻射貼片導(dǎo)體組成，該輻射貼片導(dǎo)體附著到帶有金屬底板的介電基板上，并且可以根據(jù)天線的輻射特性將貼片導(dǎo)體設(shè)計成各種形狀。它通常用于頻率高于100 MHz的低剖面結(jié)構(gòu)，通常由薄的介電層（稱為基板）表面組成，并在接地面上放置了矩形或正方形的金屬貼片。補丁可以這樣制作：光刻：由于制造，成本低廉且易于批量生產(chǎn)。

如前所述，彎曲天線可用于減小標(biāo)簽天線的物理尺寸并滿足標(biāo)簽微型化的設(shè)計要求。對于縫隙天線，也可以使用彎曲的概念。實際上，彎曲縫隙天線適用于高頻微波波段的RFID標(biāo)簽，可以有效減小天線尺寸，并具有良好的性能。市場前景廣闊。研究方法與彎曲偶極天線相似，采用矩量法研究縫隙彎曲次數(shù)，縫隙天線的高度，位置，寬度和尺寸對諧振特性的影響。矩形天線。

彎曲的縫隙天線，平板尺寸為LxW，縫隙的彎曲寬度和高度分別為s和h，縫隙中心與饋電點之間的距離如下。這些參數(shù)的更改包括：縫隙天線諧振特性，反射系數(shù)，天線效率等

基于各種彎曲參數(shù)對縫隙天線性能的影響，可以根據(jù)實際需要設(shè)計用于UHF射頻識別標(biāo)簽的縫隙天線，并可以制作特定的物理天線。在UHF標(biāo)簽天線設(shè)計領(lǐng)域，彎曲縫隙天線有望成為更廣闊的發(fā)展方向。

5 RFID標(biāo)簽天線的熱點問題

除了減小物理尺寸的問題（這一直是RFID標(biāo)簽天線設(shè)計中經(jīng)常注意到的問題）外，進一步改善了微型天線的帶寬和增益特性，以擴展實際應(yīng)用范圍并擴展交叉極化。通過分析小型天線的特性可以弄清這一點。極化純度也是重要的研究方向。此外，涵蓋各種頻率的復(fù)雜天線設(shè)計，多標(biāo)簽天線優(yōu)化分配技術(shù)，閱讀器智能波束掃描天線陣列技術(shù)，設(shè)計仿真軟件和平臺，標(biāo)簽天線和附屬介質(zhì)匹配技術(shù)，一致的干擾預(yù)防以及安全性和可靠性技術(shù)都是值得繼續(xù)研究。

其中，片上天線技術(shù)已成為最近研究中的熱點問題。隨著RFID技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，RFID標(biāo)簽對小型化，輕便，多功能，低功耗和低成本的要求不斷提高，但是目前，RFID標(biāo)簽仍使用片外獨立天線。 Q（品質(zhì)因數(shù)）值高，制造容易，價格合理。缺點是它體積大，易碎，不能用于動物產(chǎn)品的防偽或生物標(biāo)記等工作。如果天線可以集成到標(biāo)簽芯片中，則無需外部設(shè)備即可運行，從而使整個標(biāo)簽更小，更方便使用，從而導(dǎo)致對片上天線技術(shù)的研究。

將天線集成到芯片上可以簡化原始標(biāo)簽的生產(chǎn)過程，不僅可以降低成本，而且可以提高可靠性。片上天線作為能量接收器和信號傳感器決定了整個系統(tǒng)的性能，其基本出發(fā)點是使用法拉第電磁感應(yīng)原理。外部磁場能量被轉(zhuǎn)換為用作整個芯片的工作功率的芯片上電源電壓，同時，由于電磁場變化而導(dǎo)致的芯片上電流或電壓變化如下。它用于識別接收到的信號。由于其自身的輸出阻抗，通過改變外部磁場，信號被傳輸?shù)浇邮斩?。迄今為止，以?biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)的片上天線仍使用基于硅的集成螺旋電感器作為其基本結(jié)構(gòu)。

除了RFID標(biāo)簽的內(nèi)部設(shè)計之外，在諸如RFID智能平臺（智能表）天線等領(lǐng)域的研究也引起了人們的關(guān)注。

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: RFID無人值守工器具倉庫管理解決方案; RFID無人值守工器具倉庫管理解決方案，針對電力、電站、大型生產(chǎn)車間、大型維修車間工具倉庫管理設(shè)計，采用無人值守方式，24小時可隨時領(lǐng)取工具，并且每次領(lǐng)用歸還都有記錄。借還流程：工具領(lǐng)用人在倉庫門口，刷員工身份卡，依據(jù)權(quán)限開門，在工具庫房選擇工具后刷卡開門離開即可完成工具借用操作，歸還流程類似。; 詳情>>

: RFID識別技術(shù)在銀行印鑒卡，執(zhí)照，護照，汽車合格證管理方案; 銀行印鑒卡、各類證件、護照、汽車合格證目前主要使用紙質(zhì)介質(zhì)，并且數(shù)量龐大，形態(tài)各異，僅靠目前人工管理的方式無法達(dá)到精益化的管理需求。需要引入目前識別速度快，可以多標(biāo)簽同時讀取的RFID技術(shù)來提升管理效率，目前針對印鑒卡/證照/合格證主要采用第三代高頻技術(shù)，具有識別速度快（每秒高達(dá)200張紙）并能準(zhǔn)確識別堆疊的標(biāo)簽。主要應(yīng)用在印; 詳情>>

: RFID超高頻射頻識別技術(shù)智能工具柜管理方案; 為電力、高鐵制造、飛機制造、各類維修廠等行業(yè)開發(fā)的超高頻智能工器具管理柜，主要用于智能管理各類維修工具、測量儀器、安全帽、防護服、保護手套等工器具。原理是在工器具管理柜內(nèi)安裝UKA02智能Android控制器和UA2323天線，通過UKA02控制器上的APP在領(lǐng)用歸還時控制超高頻讀寫器盤點裝有工具標(biāo)簽的工器具，顯示借還清單以及庫存清單，并采用刷; 詳情>>

: 超高頻UHF智能柜圓極化天線UA2323; RFID超高頻UHF智能柜圓極化天線UA2323，是一款高性能的UHF圓極化天線，工作頻率：902-928 MHz，四角帶安裝孔，側(cè)面出線，方便貼裝于背板上。可廣泛應(yīng)用于智能工具管理、智能書柜、智能醫(yī)療耗材柜、智能檔案定位、智慧門店、無人零售柜、珠寶管理及生產(chǎn)過程控制等多種無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)。; 詳情>>

: RFID超高頻工作站讀寫器UR5506; RFID超高頻工作站讀寫器UR5506是一款針對服裝門店銷售臺，圖書檔案借還工作臺，標(biāo)簽錄入等桌面使用的讀寫器，采用高性能超高頻模塊，結(jié)合專用的近場天線，保證桌面標(biāo)簽讀寫器的快速穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于圖書管理、服裝門店、電子收銀、制服洗滌、POS收銀、檔案管理、個人身份識別、防偽及生產(chǎn)過程控制等多種RFID系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。; 詳情>>

: 自動識別技術(shù)在醫(yī)療藥品耗材管理應(yīng)用解決方案; RFID醫(yī)療耗材管理利用射頻識別技術(shù)建立完善的高附加值醫(yī)療耗材跟蹤和回溯系統(tǒng)，是解決從醫(yī)療耗材購買項目和數(shù)量確定到耗材自動存儲、出庫、患者手術(shù)中自動使用精準(zhǔn)等高附加值耗材管理現(xiàn)狀的解決方案。各醫(yī)療消耗品可以追溯到供應(yīng)商、制造商、使用者，同時可以隨時動態(tài)查詢高附加值消耗品的實時庫存、會計和支付狀態(tài)，為今后的統(tǒng)計分析提供詳細(xì)的; 詳情>>

: 智慧醫(yī)療試劑和生物樣本管理解決方案; 智能試劑和樣品柜采用RFID設(shè)備，在試劑柜中間板上安裝HA1026天線，自動識別試劑和樣品信息，檢測存儲狀態(tài)，并在云平臺上實時共享數(shù)據(jù)。與系統(tǒng)管理軟件一起盤點、定位、控制試劑和樣品信息流通的整個過程。極大地解決目前的試劑和樣品管理中管理不協(xié)調(diào)、清點時間消耗、數(shù)據(jù)出錯的可能性等問題，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，減少醫(yī)療事故。; 詳情>>

: 超高頻UHF智能柜射頻識別技術(shù)讀寫器UR6286; 超高頻UHF智能柜射頻識別技術(shù)讀寫器UR6286、是基于IMPINJ R2000模塊深度開發(fā)的RFID設(shè)備，峰值標(biāo)簽查詢速度達(dá)800張每秒，支持主動讀取模式、緩存模式和命令查詢模式，16路SMA型天線接口，每路天線可以單獨配置功率，主要應(yīng)用于各類智能柜，如新零售智能售貨柜、智能工具柜、醫(yī)療耗材柜、共享圖書、資產(chǎn)管理、文件管理、服裝門店、倉儲管理產(chǎn)品定; 詳情>>

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