RFID技術及RFID天線分析
2022-12-07
RFID系統基本上都由電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader& Writer)和數據交換與管理系統(Center Processor)三大部分組成。電子標簽由片上天線及集成芯片組成,通過電磁波與讀寫器進行數據交換,具有智能讀寫和加密通信功能。讀寫器主要由無線收發模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。數據交換與管理系統主要完成數據信息的存儲及管理、對電子標簽進行讀寫控制等。
RFID系統的工作原理其實也很簡單:讀寫器將要發送的信息,經編碼后加載到高頻載波信號上再經天線向外發送。進入讀寫器工作區域的電子標簽接收此信號,卡內芯片的有關電路對此信號進行倍壓整流、調制、解碼、解密,然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀命令,控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息,經加密、編碼、調制后通過片上天線再發送給閱讀器,閱讀器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至信息系統進行處理;若為修改信息的寫命令,有關控制邏輯引起電子標簽內部電荷泵提升工作電壓,提供電壓擦寫E2PROM。若經判斷其對應密碼和權限不符,則返回出錯信息。
RFID天線設計要點
RFID天線結構和環境因素對天線性能有很大影響。天線的結構決定了天線方向圖、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受所帖附物體形狀及物理特性的影響。例如,磁場不能穿透金屬等導磁材料,金屬物附近磁力線形狀會發生改變,而且,由于磁場能會在金屬表面引起渦流. 由楞次定律可知,渦流會產生抵抗激勵的磁通量,導致金屬表面磁通量大大衰減. 讀寫器天線發出的能量被金屬吸收,讀寫距離就會大大減小。另外,液體對電磁信號有吸收作用,彈性基層會造成標簽及天線變形,寬頻帶信號源(如發動機、水泵、發電機)會產生電磁干擾等,這些都是我們設計天線時必須細致考慮的地方。目前,研究領域根據天線的以上特性提出了多種解決方案,如采用曲折型天線解決尺寸限制,采用倒F型天線解決金屬表面的反射問題等。
天線的目標是傳輸最大的能量進出電路,這就需要仔細的設計天線和自由空間以及其電路的匹配,天線匹配程度越高,天線的輻射性能越好。當工作頻率增加到超高頻區域的時候,天線與標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻。在傳統的天線設計中,我們可以通過控制天線尺寸和結構,使用阻抗匹配轉換器使其輸入阻抗與饋線相匹配。一般天線的開發基于的是50或75歐姆阻抗,而在RFID系統中,芯片的輸入阻抗可能是任意值,并且很難在工作狀態下準確測試,天線的設計也就難以達到非常好的。
對于近距離RFID應用,天線一般和讀寫器集成在一起,對于遠距離RFID系統,讀寫器天線天線和讀寫器一般采取分離式結構,通過阻抗匹配的同軸電纜連接。一般來說,方向性天線由于具有較少回波損耗,比較適合標簽應用;由于標簽放置方向不可控,讀寫器天線一般采用圓極化方式。讀寫器天線要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于分離式讀寫器,還將涉及到天線陣的設計問題。國外已經開始研究在讀寫器應用智能波束掃描天線陣,讀寫器可以按照一定的處理順序,"智能"的打開和關閉不同的天線,使系統能夠感知不同天線覆蓋區域的標簽,增大系統覆蓋范圍。
天線設計流程
因為微帶天線的性能指標與天線的微帶單元尺寸、基板尺寸、饋電點位置等密切相關,而這些參數又直接由RFID系統的工作頻率、基片介電系數、基片厚度、饋電方式決定。在選定基片介電系數和基板厚度、饋電方式之后,計算貼片尺寸、饋電點的位置,再使用Transmission Line Calculator工具計算出饋線的尺寸。得到參數之后,就可以在高頻軟件ADS的Layout中進行仿真。初步仿真后,在Schematic文件中進行天線匹配,然后參照匹配系數在Layout中進行修改,完成最終RFID微帶天線的設計。整個設計流程明晰流暢,簡單快捷,調試方便。
總結
目前,RFID技術已經逐步發展成為一個獨立的跨學科的專業領域,它將不同專業領域的技術綜合到一起:如天線技術、半導體技術、高頻技術、電磁兼容性、數據保護和密碼學、無線通信技術、封裝制造技術等專業領域。RFID技術很大程度上節省了人工成本,提高作業精確性,加快數據處理速度,有效跟蹤物流動態等。RFID天線設計技術作為整個RFID系統設計中相當關鍵的一項攻堅技術,需要我們在普通天線設計的基礎上更細致的考慮RFID系統應用環境、工作頻率、阻抗匹配等的影響,為RFID系統的理想工作提供保證。
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