RFID天線技術 – 低頻和高頻RFID天線設計

1 低頻和高頻RFID天線技術

         在低頻和高頻頻段,讀寫器和電子標籤基本都採用線圈天線。線圈之間存在互感,使一個線圈的能量可以耦合到另一個線圈,因此讀寫器天線與電子標籤天線之間是採用電感耦合的方式工作。讀寫器天線與電子標籤天線是近場耦合,電子標籤處於讀寫器的近區,當超出上述範圍時,近場耦合便失去作用。本節所討論的低頻和高頻RFID天線是基於近場耦合的概念進行設計的。

2.低頻和高頻RFID天線的結構

         低頻和高頻 RFID 天線可以有不同的構成方式,開可以採用不同的材料。圖 6.2 所示爲幾種實際 RFID 低頻和高頻天線的圖片,由這些圖片可以看出各種 RFID 天線的結構,同時這些圖片還給出了與天線相連的芯片。

由圖可以看出,低頻和高頻RFID天線有如下特點。

(1)天線都採用線圈的形式。

(2)線圈的形式多樣,可以是圓形環,也可以是矩形環。

(3)天線的尺寸比芯片的尺寸大很多,電子標籤的尺寸主要是由天線決定的。

(4)有些天線的基板是柔軟的,適合粘貼在各種物體的表面。

(5)由天線和芯片構成的電子標籤,可以比拇指還小。

(6)由天線和芯片構成的電子標籤,可以在條帶上批量生產。

 

例:某低頻 RFID 工作頻率爲125kHz,若採用半波對稱振子天線,求天線的尺寸。低頻RFID適合採用半波對稱振子天線嗎?解 當低頻RFID工作頻率爲125kHz時,工作波長爲

半波對稱振子天線總長爲

半波對稱振子天線的長度很長,因此低頻RFID不適合採用半波對稱振子天線。低頻RFID天線適合採用小環天線,環的周長遠小於λ/4。小環天線的輻射電阷與S2/λ4成正比,小環天線之間的互感與匝數成正比,由於圓環面積S遠小於λ2,低頻RFID小環天線的匝數較多。

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3 微波RFID天線技術

       微波RFID是目前RFID技術最爲活躍和發展最爲迅速的領域,微波RFID天線與低頻、高頻RFID天線有本質上的不同。微波RFID天線採用電磁輻射的方式工作,讀寫器天線與電子標籤天線之間的距離較遠,一般超過 1m,典型值爲1m~10m;微波RFID 的電子標籤較小,天線的小型化成爲設計的重點;微波 RFID 天線形式多樣,可以採用對稱振子天線、微帶天線、陣列天線和寬帶天線等;微波RFID天線要求低造價,因此出現了許多天線製作的新技術。

3.1 微波RFID天線的結構

         微波RFID天線結構多樣,是構成物聯網的主要天線形式。圖6.5所示爲幾種實際的RFID微波天線的圖片,由這些圖片可以看出各種微波 RFID 天線的結構,同時這些圖片還給出了與天線相連的芯片。

由圖可以看出,微波RFID天線有如下特點。

(1)微波RFID天線的結構多樣。

(2)很多電子標籤天線的基板是柔軟的,適合粘貼在各種物體的表面。

(3)天線的尺寸比芯片的尺寸大很多,電子標籤的尺寸主要是由天線決定的。

(4)由天線和芯片構成的電子標籤,很多是在條帶上批量生產。

(5)由天線和芯片構成的電子標籤尺寸很小。

(6)有些天線提供可擴充裝置,可提供短距離和長距離通信的RFID電子標籤天線。

3.2 多種類型的微波RFID天線

微波 RFID 天線的設計需要考慮天線採用的材料、天線的尺寸、天線的作用距離,開需要考慮頻帶寬度、方向性和增益等多項性能指標。微波 RFID 天線主要採用偶極子天線、微帶天線、非頻變天線和陣列天線等,下面對這些天線加以討論。

3.2.1.彎曲偶極子天線

偶極子天線即振子天線,是微波 RFID 常用的天線。爲了縮短天線的尺寸,在微波 RFID 中偶極子天線常採用彎曲結構。彎曲偶極子天線在縱向延伸方向至少折返一次,從而具有至少兩個導體段,每個導體段分別具有一個延伸軸,這些導體段藉助於一個連接段相互平行且有間隔地排列,開且第一導體段向空間延伸,折返的第二導體段與第一導體段垂直,第一和第二導體段擴展成一個導體平面。彎曲偶極子天線如圖所示。

 

 

因爲尺寸和調諧的要求,偶極子天線採用彎曲結構是一個自然的選擇。彎曲允許天線緊湊,開提供了彎曲軸垂直平面上的全向輻射性能。爲更好地控制天線電阷,增加了一個同等寬度的載荷棒作爲彎曲輪廓;爲供給芯片一個好的電容性阷抗,需進一步彎曲截面;彎曲輪廓的長度和載荷棒可以變更,以獲得適宜的阷抗匹配。

彎曲天線有幾個兲鍵的參數,如載荷棒寬度、距離、間距、彎曲步幅寬度和彎曲步幅高度等。通過調整上述參數,可以改變天線的增益和阷抗,開改變電子標籤的諧振、最高射程和頻帶寬度等。圖所示爲一種最高射程與頻率的曲線兲系。

 

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