ＲＦＩＤ标签天线技术发展综述

陈宏山　何　平

【摘要】文章从介绍RFID系统入手,总结了国内外RFID标签天线技术的最新研究进展,分析了RFID天线技术的发展趋势,对标签天线的研究与设计具有一定的指导意义。

【关键词】RFID 标签天线 防金属技术 PIFA

1 引言

RFID(Radio Frequency Identification,无线射频识别)技术的应用由来已久,最早可追溯到1939年第二次世界大战时,英国空军飞机使用的敌我目标识别系统[1,2]。之后,RFID技术主要应用于军事物质、装备及人员的跟踪[3,4]。RFID技术是一种非接触的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象、获取相关数据信息,实现对RFID标签的信息获取、解释以及数据管理。近年来,随着电子、通信与信息技术的飞速发展,RFID技术步入了商业化广泛应用的阶段,能够快速地进行物品追踪、管理,具有可靠性高、保密性强、方便快捷等特点,被认为是21世纪最有发展前景的信息技术之一。

2 RFID系统介绍

2.1 RFID系统的组成

RFID系统主要由RFID标签、读写器、通信与接口中间层以及进行数据接收、交换和管理的应用管理系统组成,如图1所示:

图1RFID系统的组成

2.2 RFID系统工作原理

读写器具有将射频载波信号通过发射天线向外发射的功能。当RFID标签附着物进入读写器天线的工作覆盖区域时,因为电磁能量的感应,RFID标签被激活,并将自身的信息数据通过标签天线发射出去,完成信息的上载过程。读写器天线接收到RFID标签发出的信号之后,由读写器对该信号进行解码和解调,并送到数据管理系统做出相应的处理,随后将指令控制信号发送回RFID标签,完成数据信息的处理及交换过程。

2.3 RFID标签

RFID标签主要由标签芯片和天线组成。目前,RFID标签按工作频段可划分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的RFID标签工作原理不同:LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理,而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。

3 RFID标签天线技术进展

从RFID系统的工作原理不难看出,在RFID卡和读写器进行通信的过程中,天线起到了重要的作用,标签天线的性能对提高系统的性能有着重要的意义。由于标签附着在被标识物体上,标签天线会受到所标识物体的形状及物理特性的影响,如标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射、局部结构对辐射模式的影响等。这些因素给标签天线的设计提出了很高的要求,同时也带来了巨大的挑战。

近年来,标签天线技术取得了较大的进展,各种新技术和新材料的应用使标签天线的性能得到了较大的提升。

3.1 防金属技术

若电子标签使用于金属表面,为了使标签正常工作,通常采用的办法是将标签安装于距金属表面一定的高度(如1cm以上)位置上,而这会带来标签成本的增加和使用受限问题。为解决这一难题,近年来,国内外出现了一些涉及防金属电子标签及其标签天线的报道,各种防金属标签天线设计方案层出不穷,如增加RFID标签的基板背面金属涂层的面积,在标签基板中引入电磁带隙(EBG)结构,以降低金属使用环境的的影响。

目前,国外防金属技术标签的研究更进一步。瑞士的Harting Mitronics公司在新研发的RFID标签中融合了3-D技术,标签内部是塑料注塑成型,激光全息结构的金属涂层产生3-D效果,功能类似于高灵敏度inverted-F天线[5]。这种天线对环境的适应性比较强,无论是金属环境、液态环境、高温环境还是振颤环境。如2006年4月发布应用的无源超高频RFID标签安装了3-D天线,进一步增强了识读能力,识读范围达5米,实物见图2:

图2Harting 3-D防金属标签

3.2 小型化技术

由于RFID标签尺寸的限制,射频天线的小型化成为决定RFID标签性能的重要因素,因而长期以来,标签天线小型化一直是RFID技术和应用领域的研究热点之一。人们提出了分形天线、V型偶极子、弯折偶极子、环天线等天线新技术。

(1)分形天线

分形理论是由Manderlbrot于1975年提出的,理论的核心是分形结构的结构体一般都具有比例自相似特性和空间填充特性。在天线设计中,利用分形结构的特点可实现天线的尺寸缩减和宽频带特性。文献[6]在偶极子天线加载分支线特性的研究基础上,提出了一种基于Manderlbrot和“分形树”结构的RFID标签天线设计,通过仿真和实测结果分析得出了如下结论:随着分形阶数的增加,与经典Manderlbrot结构天线相比,“分形树”结构天线在保持尺寸缩减特性的同时,具有更易实现的几何结构,是实现RFID标签天线小型化的有效途径。

同样,文献[7]设计了一款Hilbert分形结构的无源电子标签天线,分析研究了天线基板材料和封装材料的相对介电常数大小与介质厚度对天线性能的影响,得出了如下结论:分形天线具有多谐振点特性,但是多个谐振频率之间的关系是由分形的结构确定的,而不是由材料的介电常数和介质厚度确定的。这一结论对标签天线的设计和制作具有重要的指导意义。

文献[8]设计了一种基于方形Minkowski环的分形平面开槽环天线,由于此天线具有双向的方向图,RFID标签在查询验证过程中不需要进行特定的定位处理。开槽环天线高12.75mm,槽宽0.5mm,通过50ohm的微带线馈电,制作的三个天线的理论谐振频率分别为2.45GHz、1.75GHz和1.45GHz,实测的谐振频率为2.35GHz、1.7GHz和1.38GHz,与理论值吻合很好。

(2)折叠印刷偶极子天线

偶极子天线是标签天线最常见的形式,具有辐射能力强、制作工艺简单、成本低、能够实现全向性的优点,经常应用于远距离RFID系统中。但一般偶极子天线尺寸比较大,所以在标签天线的设计中,更多采用的是其各种改进形式。

Kihun Chang等人独辟蹊径,将印刷偶极子天线的天线臂设计成环型,达到了进一步小型化的目的,天线尺寸仅为15.5mm×14.8mm[9]。

文献[10]采用折天线臂技术和镜像补偿技术,设计了一款工作在915MHz的小型化RFID印刷偶极子标签天线。此种天线结构,不仅仅适用于900MHz频段,适当减小天线结构和镜像结构尺寸,也可用来设计工作于2.45GHz微波频段的天线。

(3)倒F天线(PIFA)

PIFA中已经包含地面结构,可以很好地屏蔽标签附着物品的介电常数对RND天线的影响。近年来,一些研究者尝试将其应用于RFID标签天线设计中。文献[11]设计和实现了基于平面倒F天线结构的双频段RFID标签天线。设计时采用了地面开缝隙技术,在天线辐射面上开槽和小环,以实现天线双频段特性,可获得比普通PIFA天线更宽的带宽,可以很好地工作在867MHz和915MHz频率上。这种天线剖面低,设计简捷,与RFID标签芯片阻抗匹配容易,是实现双频特性RFID标签天线的有效途径。

3.3 材料技术

随着RFID标签的广泛应用,从性能、成本、环保等方面对标签天线提出了更高的要求,人们设法将各种新型材料应用于天线设计中。文献[12]提出了一种用于2.4GHz频段射频识别标签的硅基集成天线方案,工艺基于CMOS的硅基,通过改变环形天线的几何尺寸实现前端匹配。测试结果表明,采用外径1.8mm×1.8mm的环形天线,衬底厚度为300μm时,天线增益可达-37dBi。

此外,文献[6,13]提出了在可降解的纸基材料上电镀标签天线的方案,分别设计了分形天线和小环天线,取得了良好的效果。纸基材料的应用不仅可以降低天线制造成本,而且纸基材料可回收,减少环境污染。日本NTN公司开发出了由橡胶和陶瓷粉末组成的名为“橡胶类天线材料”的高频高介电天线材料[14]。其向基材中添加橡胶,通过调整高介电陶瓷粉末的配合比例,能够随意设置相对介电常数,而且质地柔软,能够贴到曲面上使用。

4 RFID标签天线技术发展趋势

4.1 低成本

构造低成本的RFID标签的关键在于降低天线的成本。随着信息技术的进一步发展和应用领域的扩大,标签天线的成本还有望大幅降低[15]。Rafse公司在大批量生产天线的情况下,利用高速电镀技术,可以将天线成本控制在1美分左右。另外,还有其他生产低成本天线的创新方法正由Auto-ID中心的其他支持者开发。要建立技术进步和商业应用互相促进的良性循环,低成本是永恒的发展方向。

4.2 一体集成化

对RFID标签来说,采用与芯片相对独立的天线,其优点是天线Q(品质因素)值较高、易于制造;缺点是体积较大、使用受限。若能将天线集成在标签芯片上,则会使整个标签体积更小、使用更方便。由此,将标签天线和标签芯片集成在一起,成为了RFID标签天线技术发展的主要趋势之一。在业界,此技术又称之为片上天线技术。

4.3 智能化

RFID智能标签已见报道[16],主要通过生成的识别码来保证每一个标签的唯一性。OMRON开发了一种新型的天线技术,可以直接控制读写器发射出来的电磁波束的方向,这样就可以避开环境或阻挡物的影响,以达到最好的效果[17]。近年来,RHD智能平台(smart table)天线等领域的研究也日渐受到重视[18] 。可以预见,标签中采用智能天线技术也必将成为发展的重要方向之一。

5 结束语

RFID标签天线技术已涉及天线设计技术、材料技术、电磁兼容技术以及封装技术等专业领域,使RFID标签低成本、小型化、多功能、智能化及环保性得到了有力的支持。新型天线结构和新材料的应用使标签天线技术得到了较大的提升,同时也促进了RFID技术的应用与发展。

参考文献

[1]Symbol Technology. Understanding the Key Issues in Radio Frequency Identification (RFID) Whitepaper[R]. 2004.

[2]Bitkom. RFID: Technology, Systems and Applications Whitepaper[R]. 2005.

[3]J.Eagleson. RFID: The Early Years 1980-1990[EB/OL]. http://members.surf best.net/eaglesnest/rfidhist.htm.

[4]K.Finkenzeller. RFID Handbook(Second Edition) [M]. John Wiley & Sons Inc., Hoboken, NJ,2003.

[5]新型超高频RFID标签使用3-D天线[EB/OL]. http://www.rfidinfo.com.cn.

[6]赖晓铮,刘焕彬,张瑞娜,等. 基于分形结构的纸基RFID标签天线研究[J]. 微波学报,2008(3): 36-39.

[7]赵万年,武岳山,刘奕昌. 基于Hilbert分形结构的电子标签天线设计研究[J]. 现代电子技术,2008(23): 29-33.

[8]Shantanu K. Padhi, Gerhard F. Swiegers, Marek E. Bialkowski. A Miniaturized Slot Rnig Antenna for RFID Applications[C]. 2004 15th Conference on Microwaves,Radar and Wireless Communications, 2004: 318-321.

[9]Chang Kihun,Kwak Sangil,Young Joong Yoon. Small-sized spiral dipole antenna for RFID transponder of UHF band[C]. Asia-Pacific Conference Proceedings.Suzhou: Microwave Conference Proceedings,APM C,2005: 4.

[10]汤伟,林斌,等. 一种小型化RFID标签天线的仿真设计[J]. 厦门大学学报(自然科学版),2008(1): 50-54.

[11]赖晓铮,刘焕彬,张瑞娜,等. 一种平面倒F纸基RFID标签天线[J]. 东南大学学报(自然科学版),2008(3): 276-279.

[12]王振华,张春,李永明,等.用于2.4GHz的射频识别的硅基集成小环天线的仿真与设计[J].微波学报,2007(3): 19-22.

[13]赖晓铮,刘焕彬,王重山,等. 纸基RFID小环天线设计[J]. 中山大学学报(自然科学版),2008(2): 46-49.

[14]日经BP社. NTN开发出能随意设置介电常数“橡胶类天线材料”[N/OL]. [2006-9-29] http://www.rfidworld.com.cn.

[15]Amit Rawal. RFID: The Next Generation Auto-ID Technology[J]. MICROWAVE JOURNAL,2009(3): 58-74.

[16]智能标签票据的无线射频识别技术[EB/OL]. [2007-12-01] http://www.rfidsky.com.

[17]Susan Zheng. Omrom开发出新型UHF天线可消除多路影响[EB/OL]. [2006-03-28] http://www.rfidworld.com.cn.

[18]Cai A. High frequency RFID smart table antenna[J]. Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(9).★

【作者简介】

陈宏山:硕士,主要从事移动通信天线的研究及测量工作。

何平:高级工程师,主要从事无线通信工程设计与建设工作。