RFID干貨專(zhuān)欄概述

經(jīng)過(guò)20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書(shū)籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫(xiě)的新書(shū)《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書(shū)對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專(zhuān)欄，陸續(xù)發(fā)布本書(shū)內(nèi)容。

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4.1 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

在4.1節(jié)中介紹了標(biāo)簽技術(shù)第二要素就是天線，天線技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)超高頻RFID標(biāo)簽技術(shù)進(jìn)步的另一大源動(dòng)力。本節(jié)就針對(duì)標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行講解，分別從標(biāo)簽設(shè)計(jì)的多個(gè)維度講解展開(kāi)，最后講解幾款市場(chǎng)上比較流行的標(biāo)簽天線。本節(jié)內(nèi)容具有一定專(zhuān)業(yè)性，但是沒(méi)有復(fù)雜的推導(dǎo)，即使非天線設(shè)計(jì)人員一樣看得懂，當(dāng)然對(duì)于標(biāo)簽天數(shù)設(shè)計(jì)工程師有更大的學(xué)習(xí)價(jià)值。

4.4.1 標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

一直以來(lái)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)被認(rèn)為是一個(gè)非常專(zhuān)業(yè)的事情，許多其他行業(yè)的天線工程師看到超高頻RFID標(biāo)簽天線后也會(huì)感覺(jué)迷茫無(wú)從下手。這是因?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)缺乏相對(duì)專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)業(yè)和培訓(xùn)，許多小公司都是通過(guò)抄襲和多次嘗試的方式完成自己的天線設(shè)計(jì)，只有行業(yè)內(nèi)的幾個(gè)大企業(yè)才有專(zhuān)業(yè)的標(biāo)簽天線工程師。其實(shí)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)并不難，只要掌握其等效模型，就能找到天線設(shè)計(jì)大門(mén)的入口了。

1.偶極子標(biāo)簽構(gòu)成分析

普通材質(zhì)的超高頻RFID標(biāo)簽天線多為偶極子天線，這是因?yàn)榕紭O子天線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且與標(biāo)簽的尺寸要求接近。

如圖4-61所示，為一個(gè)常見(jiàn)的偶極子天線標(biāo)簽，從天線設(shè)計(jì)角度分析，共由4部分組成，分別是標(biāo)簽芯片、偶極子天線、電感線圈（LC諧振環(huán)）、耦合部分。

圖4-61標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)構(gòu)成

（1）標(biāo)簽芯片

通過(guò)解調(diào)標(biāo)簽芯片在天線端口接收到的信號(hào)，并調(diào)制出一個(gè)信號(hào)返回到同一端口的閱讀器，與閱讀器通信。標(biāo)簽芯片是“被動(dòng)”的，它沒(méi)有內(nèi)置電源，而是從讀取器的射頻信號(hào)中收集能量。當(dāng)標(biāo)簽芯片從讀取器信號(hào)采集功率時(shí)，標(biāo)簽天線阻抗必須與芯片阻抗有較好的共軛匹配。

（2）偶極子天線

偶極子天線有兩個(gè)輻射臂，如圖4-62所示，從一個(gè)點(diǎn)向外延伸（通常在同一軸上）。偶極臂的長(zhǎng)度和厚度決定了天線的主要特性。例如，常用的偶極子是半波偶極子，半波偶極子的電長(zhǎng)度為所需工作頻率波長(zhǎng)的一半。然而，偶極子阻抗值為70Ω（諧振時(shí)阻抗），與標(biāo)簽芯片匹配的最佳值相差甚遠(yuǎn)。而且其物理長(zhǎng)度（半波偶極子在900 MHz時(shí)約為15厘米）對(duì)于大多數(shù)超高頻RFID標(biāo)簽應(yīng)用來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)了。

圖4-62

對(duì)于無(wú)源RFID芯片來(lái)說(shuō)，偶極子天線可以等效為一個(gè)射頻能量源（電壓源），為芯片供電。

（3）電感線圈

電感線圈有兩個(gè)主要功能，一個(gè)是與芯片的電容進(jìn)行共軛匹配，另一個(gè)是將偶極子耦合的能量傳遞給芯片。電感線圈的尺寸對(duì)一個(gè)標(biāo)簽天線的匹配具有決定作用。如果掌握了調(diào)節(jié)電感線圈的技巧，就可以成為一名初級(jí)的RFID天線工程師了。

（4）耦合部分

耦合部分是能量在偶極子和電感線圈之間轉(zhuǎn)移的重要部件。這部分以感應(yīng)方式連接偶極子和電感線圈，類(lèi)似于變壓器磁芯之間的耦合。偶極子中等效射頻電源的能量可以耦合到電感線圈內(nèi)并傳遞給芯片。超高頻RFID系統(tǒng)就是利用偶極天線遠(yuǎn)距離收集的能量并傳輸?shù)綐?biāo)簽芯片上的。電感線圈和偶極子可以進(jìn)一步分離以減少耦合，也可以拉近或共享更寬的部分以增加耦合。

2.標(biāo)簽天線等效模型

為了方便工程分析，可以將偶極子標(biāo)簽轉(zhuǎn)換為等效電路模型。如圖4-63所示，偶極子標(biāo)簽包含的標(biāo)簽芯片、偶極子天線、電感線圈、耦合部分這四部分等效為一個(gè)電壓源射頻傳輸電路：

標(biāo)簽芯片內(nèi)部阻抗等效為一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)，分別為Cchip和Rchip，這兩個(gè)參數(shù)在芯片的說(shuō)明書(shū)中可以找到。

偶極子天線等效為電壓源V、輻射電阻（Radiationresistance）Ra、偶極子電容Ca、偶極子電感La。這些參數(shù)都是偶極子天線所特有的參數(shù)，與天線的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，且在不同工作頻率時(shí)表現(xiàn)出不同的特性。

電感線圈等效為電感L2，L2大小與電感線圈尺寸相關(guān)。

耦合部分等效為電感L1，L1的大小與電感線圈和偶極子之間的距離相關(guān)。

圖4-63偶極子標(biāo)簽等效電路模型

等效電路建立后，只需要計(jì)算電壓源V供電后，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，Rchip能夠獲得的能量。這個(gè)能量越大，系統(tǒng)的匹配越好。電路的具體計(jì)算比較復(fù)雜，可以使用ADS軟件進(jìn)行仿真。輻射電阻Ra、偶極子電容Ca、偶極子電感La、電感線圈等效電感L2、耦合部分等效電感L1這些參數(shù)的大小需要在HFSS仿真中獲得。

3.設(shè)計(jì)步驟

在標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)過(guò)程中由于標(biāo)簽芯片已經(jīng)確定，只需要依次完成電感線圈設(shè)計(jì)、偶極子天線設(shè)計(jì)和耦合部分設(shè)計(jì)這三部分即可。

（1）電感線圈設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線的第一步是構(gòu)造標(biāo)簽芯片的電感線圈，電感線圈的主要功能之一是設(shè)置諧振以匹配芯片的電容。電感線圈的形狀可以采取任何形式，只要它完成一個(gè)閉環(huán)。設(shè)計(jì)電感線圈時(shí)不必太關(guān)注是否與芯片在工作頻率點(diǎn)諧振，這是因?yàn)橐坏╇姼芯€圈連接到偶極子，其諧振頻率會(huì)發(fā)生改變。

電感線圈有三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù):線寬、環(huán)路面積（內(nèi)圈面積）和線長(zhǎng)。使用寬的線寬可以減小電阻從而減小損耗。

電感線圈設(shè)計(jì)有兩個(gè)主要權(quán)衡點(diǎn)：

第一個(gè)是在線度和環(huán)路形狀之間。更寬的線寬可以減小歐姆損耗，但環(huán)路面積必須增大以補(bǔ)償減小的電感。

第二個(gè)權(quán)衡是在環(huán)路面積和形狀之間。如果形狀更接近圓形或方形，則獲得相同電感所需的面積將比狹長(zhǎng)形狀更小。最終，形狀將很可能由標(biāo)簽尺寸要求決定。對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)瘦標(biāo)簽形狀，圓形或方形環(huán)形狀將不合適。

圖4-64中顯示了兩個(gè)不同尺寸標(biāo)簽的電感線圈設(shè)計(jì)實(shí)例，分別針對(duì)方形標(biāo)簽和長(zhǎng)窄標(biāo)簽。一般情況下電感線圈被放置在標(biāo)簽區(qū)域的中心。

圖4-64電感線圈設(shè)計(jì)

（2）偶極子設(shè)計(jì)

偶極子天線是標(biāo)簽天線中最大的部分。由于偶極子必須保持在標(biāo)簽的尺寸限制之內(nèi)（一般小于半波長(zhǎng)尺寸），通常使用一些尺寸減小技術(shù)，如采用彎折手段。當(dāng)偶極子采用彎折設(shè)計(jì)后可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的半波電長(zhǎng)度，但尺寸的減小意味著增益和帶寬的減小。

偶極子同樣有一組重要參數(shù)需要折衷：線寬和線長(zhǎng)。與電感線圈類(lèi)似，更寬的線寬將減小損耗，但需要更長(zhǎng)的長(zhǎng)度才能達(dá)到相同的諧振頻率。此外，由于面積受限，更寬的線寬可能無(wú)法達(dá)到標(biāo)簽所需的電子長(zhǎng)度。

偶極子的設(shè)計(jì)案例如圖4-65所示。這里顯示的兩個(gè)偶極子設(shè)計(jì)幾乎完全填滿了標(biāo)簽尺寸區(qū)域。如果標(biāo)簽的材料具有較高的介電常數(shù)特性，則可能需要減少?gòu)澱刍驈澱鄣拇螖?shù)。相反，如果標(biāo)簽材料的介電常數(shù)較小，則可能需要減小線寬并增加彎折度。

圖4-65偶極子設(shè)計(jì)

在這一步設(shè)計(jì)時(shí)需要了解基材的介電常數(shù)，需要與供應(yīng)商聯(lián)系或在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試得到。如果有差分網(wǎng)絡(luò)分析儀和測(cè)試臺(tái)，可以更好的了解該偶極子部分的特性。

（3）耦合設(shè)計(jì)

電感線圈體積小，是一種近場(chǎng)結(jié)構(gòu)，無(wú)法在電磁波中為標(biāo)簽芯片提供足夠的能量。為了使標(biāo)簽芯片能夠與讀寫(xiě)器通信，必須在偶極子和電感線圈之間傳輸能量。通常電感線圈的最佳位置是靠近偶極子的中心，在那里可以獲得最大的電流。一旦電感線圈與偶極子耦合，電感線圈和偶極子的諧振頻率都會(huì)發(fā)生位移，需要重新調(diào)整。

電感線圈和偶極子之間的耦合系數(shù)是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)。電感線圈與偶極子間重疊的程度決定耦合系數(shù)，重疊越深耦合系數(shù)越大，能量傳遞的效率就越高，但與此同時(shí)偶極子的電路特性對(duì)芯片的影響越大，會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽的帶寬較窄。

耦合系數(shù)決定了阻抗變換的系數(shù)，在標(biāo)簽天線等效模型中，L1左側(cè)的所有電路會(huì)通過(guò)L1影響到芯片端。因此耦合的最佳值取決于標(biāo)簽天線的大小和芯片阻抗。

控制耦合系數(shù)最簡(jiǎn)單的方法是改變電感線圈和偶極子之間的間距，如圖4-66所示。距離越遠(yuǎn)耦合系數(shù)越小，距離越近耦合系數(shù)越大。

圖4-66耦合設(shè)計(jì)

一般情況下對(duì)于窄帶的標(biāo)簽采用較大的耦合系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更好的性能（更多能量耦合到芯片內(nèi)），而對(duì)于有寬帶設(shè)計(jì)要求的標(biāo)簽一般采用較小的耦合系數(shù)，如標(biāo)簽需要貼在多種不同介電常數(shù)的物體上，也應(yīng)使用弱耦合設(shè)計(jì)，從而減小偶極子阻抗變化對(duì)芯片匹配的影響。