UHF RFID天線設計技術研究

0 前言

RFID無線射頻辨識技術（RadioFrequencyIdentification，RFID）的應用有著悠久的歷史。 它可以追溯到第二次世界大戰期間英國空軍飛機使用的飛機識別系統。 近年來，RFID無線射頻辨識技術已廣泛應用於物品管理、車輛定位、井下人員定位等領域。 該技術屬於非接觸式自動識別技術，利用射頻訊號透過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現非接觸式資訊傳輸，並透過傳輸的資訊達到自動識別的目的。

1 RFID射頻技術概述

1.1 RFID無線辨識系統基本構成

RFID無線識別系統主要由RFID電子標籤、RFID讀寫器、天線和上位機管理系統組成。 RFID電子標籤和RFID讀寫器之間的資訊是無線傳輸的，因此它們之間有無線收發模組和天線（感應線圈）。 效果圖如圖1所示。

UHF RFID天線設計技術研究

（1）RFID電子標籤（Tag）：RFID電子標籤是無線射頻辨識系統的資料載體。 每個RFID電子標籤由耦合元件和晶片組成，具有唯一的EPC（Electronic ProductCode）電子代碼，該代碼附著在物體上以識別目標物體。 與傳統條碼相比，EPC碼不僅可以反映某種產品類型，而且可以針對某種產品。

（2）RFID讀寫器（Reader）：讀寫器是一種能夠讀取或寫入電子標籤資訊的設備。 其基本功能是與標籤傳輸資料。 它可以設計為手持式閱讀器或固定式閱讀器。

（3）天線（Antenna）：在標籤和閱讀器之間傳輸射頻訊號。

1.2 RFID系統工作原理

RFID電子標籤進入RFID讀寫器發射的磁場後，接收讀寫器發出的射頻訊號，並憑藉晶片中儲存的產品資訊（Passive Tag，被動標籤或被動標籤）發出去。透過感應電流獲得能量，或標籤主動發送一定頻率的訊號（Active Tag，主動標籤或主動標籤），解碼器讀取並解碼訊息，然後發送到中央資訊系統以取得相關資料加工。 射頻識別流程示意圖如圖2所示。

2 RFID標籤天線效能指標

從RFID系統的辨識過程中不難看出，天線在感應RFID電子的過程中，作為RFID讀寫器在RFID電子標籤和RFID讀寫器之間傳輸射頻訊號的橋樑，發揮著重要的作用。標籤。 RFID讀寫器天線、RFID電子標籤天線的性能對於提高整個識別系統的效能具有重要意義。 由於RFID電子標籤附著在被標記物體上，因此RFID電子標籤天線會受到被標記物體的形狀和物理特性的影響。 影響因素包括被標記物體的材質、被標記物品的工作環境等。此外，在RFID射頻裝置中，當工作頻率提高到微波區域時，天線與RFID電子裝置之間的匹配問題標籤晶片變得更加嚴重。 這些因素對RFID電子標籤天線的設計提出了更高的要求，同時也帶來了巨大的挑戰。

天線是以電磁波形式接收或輻射前端射頻訊號功率的裝置。 它是電路與空間界面上的裝置，用於實現導波與自由空間波之間的能量轉換。 目前的RFID無線射頻系統主要集中在低頻、高頻、超高頻、微波頻段。 不同工作頻段的RFID系統天線的原理和設計有根本的不同：

(1)方向特性

天線輻射是有方向性的。 輻射的振幅與方向的關係曲線n場稱為方向圖，實際上是同方向遠場場任意方向上一點的場強關係曲線。 方向圖一般指歸一化方向圖，即遠場場任一方向上一點的場強與同距離最大場之比的同方向關係曲線。

(2)方向性係數

方向性係數是用來表示天線向某一方向輻射電磁波程度的參數。 任意定向天線的方向性係數是指在接收點電場強度相等的情況下，非定向天線的總輻射功率與定向天線的總輻射功率比值。 根據這個定義，由於定向天線的輻射強度在各個方向上都有變化，因此天線的方向係數也隨著觀測點的位置而變化。 在輻射電場最大的方向上，方向性係數也最大。 一般情況下，定向天線的方向性係數為最大輻射方向的方向性係數，即在距離天線一定距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率通量密度Smax與相同輻射功率的理想無向天線的相同距離的輻射功率通量密度So之比記為D。

(3) 天線效率

天線效率是衡量天線能量轉換效率的指標。 天線效率均小於1，表示天線的輸入功率部分轉換為輻射功率，部分損失功率。 天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比，記為ηA。

(4) 天線增益

天線係數僅反映天線輻射能量最集中的程度，而天線增益不僅反映天線的輻射能力，也考慮了天線的損耗因數。 在相同輸入功率的情況下，定向天線在空間某一方向（θ，φ）上的輻射功率密度S（θ，φ）與無損點源天線在空間中的輻射功率密度So之比這個方向稱為天線的增益，記為G(θ, φ)。

增益係數是綜合衡量大線路能量轉換和方向特性的參數。 它是方向性係數和天線效率的乘積，記為G，即：

G=D·ηA

對於UHF和微波RFID射頻識別系統，由於RFID電子標籤天線面積較小，天線的增益受到限制。 增益量取決於天線輻射方向圖的類型。

(5)阻抗特性

天線的輸入阻抗可以表示為天線饋電點的電壓與電流比，通常是頻率的函數。 RFID天線的阻抗應設計為50Ω或70Ω，以達到與傳統饋線的阻抗匹配。 RFID天線相當於讀寫器的終端負載和電子標籤的輸出，輸入阻抗Zin定義為天線輸入電壓與輸入電流Io的比值。

RFID天線的輻射功率PΣ相當於等效阻抗的損耗。 這個等效阻抗稱為輻射阻抗ZΣ，

3 結論

隨著RFID無線射頻技術應用需求的不斷明確和應用領域的不斷拓展，作為RFID系統關鍵部件的天線的設計和研究變得十分緊迫和迫切。 天線技術是RFID系統的關鍵技術之一，對於RFID技術的成熟和廣泛應用具有理論意義和實用價值。