通信論文發表期刊推薦國家級期刊《中國新通信》，《中國新通信》雜志是由工業和信息化部主管，電子工業出版社主辦，《中國新通信》雜志社編輯出版的信息通信技術專業期刊，原《中國數據通信》（月刊）。自 1999年創刊以來，受到了廣大讀者和作者的關心和支持，2005年被科學技術協會評為優秀期刊，于2006年1月改名為《中國新通信》。

　　摘要：RFID(RadioFrequencyIdentification，射頻識別技術)是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據。本文主要分析總結了RFID技術的原理，RFID天線設計主要考慮物理參量，最后指出了RRFID標簽及讀寫器天線的設計與應用。

　　關鍵詞：RFID,原理,類型,設計

　　1.RFID技術原理

　　RFID（radiofrequencyidentification）是利用無線電波進行通信的一種自動識別技術。基本原理是通過讀頭和黏附在物體上的標簽之間的電磁耦合或電感耦合進行數據通信，以達到對標簽物品的自動識別。通常情況下，RFID的應用系統主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成的。其中，讀寫器一般作為計算機終端，用來實現對RFID卡的數據讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而RFID卡則是一種無源的應答器，主要是由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線組成，其中RFID芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。

　　RFID應用系統的基本工作原理是RFID卡進入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應電流經升壓電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信息處理；所需回復的信息則從存儲器中獲取經由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發回給讀寫器。可見，RFID卡與讀寫器實現數據通訊過程中起關鍵的作用是天線。一方面，無源的RFID卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了RFID卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式。

　　2.實際RFID天線設計主要考慮物理參量

　　2.1磁場強度。運動的電荷或者說電流會產生磁場，磁場的大小用磁場強度來表示。RFID天線的作用距離，與天線線圈電流所產生的磁場強度緊密相關。

　　圓形線圈的磁場強度(在近場耦合有效的前提下，近場耦合有效與否的判斷在1．3節)可用式(1)進行計算：

　　式中：H是磁場強度；I是電流強度；N為匝數；R為天線半徑；x為作用距離。

　　對于邊長ab的矩形導體回路，在距離為x處的磁場強度曲線可用下式計算。

　　結果證實：在與天線線圈距離很小(xR)處呈現出較高的磁場強度。在電感耦合式射頻識別系統的天線設計中，應當考慮這種效應，如圖1所示。

　　2.2最佳天線直徑。在與發射天線的距離x為常數并簡單地假定發射天線線圈中電流I不變的情況下，如果改變發送天線的半徑R時，就可以根據距離x與天線半徑R之間的關系得到最大的磁場強度H。這意味著：對于每種射頻識別系統的閱讀器作用距離都對應有一個最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過大，那么在與發射天線的距離x=0處，磁場強度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場強度則以z的三次方的比例衰減，如圖2所示。

　　不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對應著磁場強度曲線最大值。

　　從數學上來說，也即對R求導，如式(3)所示：

　　從公式的零點中計算是拐點以及函數的最大值。

　　發射天線的最佳半徑對應于最大期望閱讀器的2孺值。第二個零點的負號表示導電路的磁場強度在x軸的兩個方向傳播。這里需要指出的是，使用此式的前提條件，是近場耦合有效。下面簡介近場耦合的概念。

　　2.3近場耦合。真正使用前面所提到的公式時，有效的邊界條件為：d《R以及x<λ／2π，原因是當超出上述范圍時，近場耦合便失去作用了，開始過渡到遠距離的電磁場。一個導體回路上的初始磁場是從天線上開始的。在磁場的傳輸過程中，由于感應的增加也形成電場。這樣，最原始的純磁場就連續不斷地轉換成了電磁場。當距離大于λ／2π的時候，電磁場最終擺脫天線，并作為電磁波進入空間。在作為電磁波進入空間之前的這個范圍，就叫做天線的近場，本文所涉及的RFID天線設計，是基于近場耦合的概念。所以距離應當限定在上述的范圍之內。

　　2.4調諧。RFID系統讀寫器可以等效為一個R-L-C串聯電路，其中R為繞線線圈的電阻，L為天線自身的電感。一般調諧過程當中，由于天線線圈本身的電容對于諧振的影響很小，可以忽略不計，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個電容C，完成對天線的調諧，達到這一目的。而調諧電容，天線的電感以及工作頻率之間的關系，可以通過以下湯姆遜公式求得，即：

　　2.5電感的估算。電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產生的磁通量與導體回路包圍的電流強度之比。實際RFID天線調試的時候，讀寫器天線電感量值可以通過阻抗分析儀測出，在條件有限的情況下，也常采用估算公式進行估算。假定導體的直徑d與導體回路直徑D之比很小(d／D<0．001)，則導體回路的電感可簡單地近似為：

　　式中：N為繞線天線的匝數；R為天線線圈的半徑；d為導體的內徑；μ0為自由空間磁導率。

　　線圈匝數還有以下的近似公式進行估算，在實際應用中，兩個公式可以進行對照使用：

　　式中：L為線圈電感，單位為nH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導線直徑，單位為cm。

　　2.6天線的品質因數。天線的性能還與它的品質因數有關。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大，但是同時，讀寫器的通帶特性也會受到影響。所以在實際調節Q值的時候，要進行折中的考慮。調節Q值，是通過在R-L-C等效電路上面串接一個電阻R1實現的，具體的公式如下：Q=ωL／(R+R1)(8)

　　3．RFID標簽及讀寫器天線的設計與應用

　　RFID系統天線一般分為電子標簽天線設計和讀寫器天線兩大類。不同工作頻段的RFID系統天線設計各有特點。對于LF和HF頻段，系統采用電感耦合方式工作，電子標簽所需的工作能量通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場獲得，一般為無源系統，工作距離較小，不大于1米。在讀寫器的近場實際上不涉及電磁波傳播的問題，天線設計比較簡單。而對于UHF和微波頻段，電子標簽工作時一般位于讀寫器天線的遠場，工作距離較遠。讀寫器的天線為電子標簽提供工作能量或喚醒有源電子標簽，UHF頻段多為無源被動工作系統，微波頻段（2.45GHz和5.8GHz）則以半主動工作方式為主。天線設計對系統性能影響較大。對于UHF和微波頻段電子標簽天線設計，主要問題有：

　　3.1天線的輸入匹配。UHF和微波頻段電子標簽天線一般采用微帶天線形式。在傳統的微帶天線設計中，我們可以通過控制天線尺寸和結構，或者使用阻抗匹配轉換器使其輸入阻抗與饋線相匹配，天線匹配越好，天線輻射性能越好。但由于受到成本的影響，電子標簽天線一般只能直接與標簽芯片相連。芯片阻抗很多時候呈現強感弱阻的特性，而且很難測量芯片工作狀態下的準確阻抗特性數據。在設計電子標簽天線時，使天線輸入阻抗與芯片阻抗相匹配有一定的難度。在保持天線性能的同時又要使天線與芯片相匹配。這是電子標簽天線設計的一個主要難點。

　　3.2天線方向圖。電子標簽，理論上希望它在各個方向都可以接收到讀寫器的能量，所以一般要求標簽天線具有全向或半球覆蓋的方向性，而且要求天線為圓極化。

　　3.3天線尺寸對其性能的影響。由于電子標簽天線尺寸極小，其輸入阻抗，方向圖等特性容易受到加工精度，介質板純度的影響。在嚴格控制尺寸的同時又要求天線具有相當的增益，增益越大，電子標簽的工作距離越大。現時實際應用中的電子標簽天線基本采用貼片天線設計，主要形式有微帶天線，折線天線等。最近幾年，電子標簽天線設計一直是RFID系統中的熱點。標簽天線研究的重點有如何實現寬頻特性，阻抗匹配，還有文章涉及天線底板對標簽性能的影響。

　　讀寫器天線一般要求使用定向天線，可以分為合裝和分裝兩類。合裝是指天線與芯片集成在一起，分裝則是天線與芯片通過同軸線相連，一般而言，讀寫器天線設計要求比標簽天線要低。最近一段時間，開始有研究在讀寫器天線上應用智能天線技術控制天線主波束的指向，增大讀寫器所能涵蓋的區域。

　　4.結語

　　總之，RFID的實際應用關鍵在于天線設計上，特別是對于具有非常大市場容量的商品標簽來說，要求RFID能夠實現全方向的無線數據通訊，且還要價格低廉、體積小。因此，我們所設計的上述這種全向型偶極子天線的結構簡單、易于批量加工制造，是可以滿足實際需要的。本文對于各種RFID的天線設計具有普遍的指導意義。