因為系統(tǒng)能量產(chǎn)生和傳送方式不同,對應(yīng)的RFID標簽天線主要可分為近場感應(yīng)線圈天線和遠場輻射天線。感應(yīng)耦合系統(tǒng)使用的是近場感應(yīng)線圈天線,由多匝電感線圈組成,電感線圈和與其相并聯(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)使用的遠場輻射天線的種類主要是偶極子天線和縫隙天線,遠場輻射天線通常是諧振式的,一般取半波長。天線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簽尺寸,與近場感應(yīng)天線相比,遠場輻射天線的輻射效率較高。
標簽天線主要分為3大類:線圈型、偶極子、縫隙(包括微帶貼片)型。線圈型天線是將金屬線盤繞成平面或?qū)⒔饘倬€纏繞在磁心上;偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構(gòu)成,信號從中間的兩個端點饋人,天線的長度決定頻率范圍;縫隙型天線是由金屬表面切出的凹槽構(gòu)成,其中微帶貼片天線由一塊末端帶有長方形的電路板構(gòu)成,長方形的長寬決定頻率范圍。識別距離小于1m的中低頻近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線;1m以上的高頻或微波頻段的遠距離應(yīng)用系統(tǒng)需要采用偶極子和縫隙型天線。
RFID標簽天線的設(shè)計要求主要包括以下幾種:RFID天線的物理尺寸足夠小,能滿足RFID標簽小型化的需求;具有全向或半球覆蓋的方向性;具有高增益,能提供最大的信號給RFID標簽的芯片;阻抗匹配好,無論RFID標簽在什么方向,RFID標簽天線的極化都能與RFID讀寫器的信號相匹配;具有頑健性及低成本。在選擇RFID天線時主要考慮:天線的類型、阻抗、應(yīng)用到物品上的RFID性能和當有其他物品圍繞RFID標簽物品時的RFID性能。
線圈型天線
當標簽線圈天線進入RFID讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中,RFID標簽天線與RFID讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器。兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈。
RFID標簽和RFID讀寫器雙向通信使用的載波頻率就是當要求標簽天線線圈外形很小(即面積小),且需一定的工作距離,RFID標簽與RFID讀寫器間的天線線圈互感量(就明顯不能滿足實際需求,可以在RFID標簽天線線圈內(nèi)部插入具有高導磁率的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補償線圈橫截面小的問題)。目前,線圈型天線的實現(xiàn)技術(shù)已很成熟,廣泛地應(yīng)用在身份識別、貨物標簽等RFID系統(tǒng)中,但是對于頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID應(yīng)用場合,采用線圈型天線難以實現(xiàn)相應(yīng)的性能指標。
偶極子天線
偶極子天線具有輻射能力好、結(jié)構(gòu)簡單、效率高的優(yōu)點,可以設(shè)計成適用于全方位通信的RFID系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于RFID標簽天線的設(shè)計,尤其是在遠距離RFID系統(tǒng)中。
傳統(tǒng)半波偶極子天線的最大問題在于對標簽尺寸的影響,如915MHz的半波偶極子。研究表明,端接的、傾斜的、折疊的偶極子天線可以通過選擇合適的幾何參數(shù)來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,性能非常出色,且與傳統(tǒng)半波偶極子天線相比尺寸要小很多,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。已知增加天線的彎折次數(shù)有利于在不降低天線效率的情況下減小天線尺寸,那么如何在有限的空問下進行“彎折”,“彎折”的具體參數(shù)對標簽天線的諧振頻率和輸入阻抗有何影響?怎樣“彎折”的RFID效率最高?
眾所周知,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,應(yīng)用到RFID天線設(shè)計上可以實現(xiàn)天線多頻段特性和尺寸縮減特性。國內(nèi)外對具有分形結(jié)構(gòu)的天線做了大量研究工作,證實了分形結(jié)構(gòu)的天線具有良好的尺寸縮減特性,可以在有限的空間內(nèi)大幅度提高天線效率網(wǎng)。
對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Hilbert標簽天線進行仿真,能得到標簽天線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)果中的天線增益和效率,判斷哪種維度和階數(shù)的標簽天線最符合實際標簽天線的設(shè)計要求,進一步制作實體天線,并測試RFID識別距離。
縫隙(包括微帶貼片)型天線
縫隙天線具有低輪廓、重量輕、加工簡單、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,適合大規(guī)模生產(chǎn),能簡化整機的制作與調(diào)試,從而大大降低成本。
微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導體所構(gòu)成,根據(jù)天線輻射特性,可以設(shè)計貼片導體為各種形狀。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)。
因此,彎折型天線有利于減小標簽天線的物理尺寸,滿足標簽小型化的設(shè)計要求。對于縫隙天線來說,同樣可以利用彎折的概念。事實上,彎折縫隙天線適用于高頻微波段的RFID標簽,能有效減小天線尺寸,性能優(yōu),具有廣闊的市場前景。研究方法和彎折偶極子天線類似,用矩量法研究縫隙彎折的次數(shù)、高度、位置、寬度和縫隙天線平片大小對矩形天線諧振特性的影響。
基于彎折的各參數(shù)對縫隙天線性能的影響,可根據(jù)實際需要設(shè)計UHF射頻識別標簽用的縫隙天線,制作具體的實物天線。可以預計,彎折縫隙天線將是UHF標簽天線設(shè)計領(lǐng)域比較看好的發(fā)展方向。
(圖文來源于網(wǎng)絡(luò),侵刪)
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