在射頻識別系統(tǒng)中的天線問題

P R Foster and R A Burberry

引言

在RF裝置中，工作頻率增加到微波區(qū)域的時候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配。本文考慮的頻帶是435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。天線必須：

• 足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上；
• 有全向或半球覆蓋的方向性；
• 提供最大可能的信號給標(biāo)簽的芯片；
• 無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢問信號相匹配；
• 具有魯棒性；
• 非常便宜。

在選擇天線的時候的主要考慮是：

• 天線的類型；
• 天線的阻抗：
• 在應(yīng)用到物品上的RF的性能；
• 在有其他的物品圍繞貼標(biāo)簽物品時的RF性能。

可能的選擇

這里有兩種使用方式：一）貼標(biāo)簽的物品被放在倉庫中，有一個便攜裝置，可能是手持式，詢問所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息；二）在倉庫的門口安裝讀卡設(shè)配，詢問并記錄進(jìn)出物品。還有一個主要的選擇是有源標(biāo)簽還是無源標(biāo)簽[1],[2]。

可選的天線

在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 頻率是用的RFID系統(tǒng)中，可選的天線有幾種，見下表，它們重點(diǎn)考慮了天線的尺寸。這樣的小天線的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類型，全向的天線具有峰值增益0到2 dBi；方向性的天線的增益可以達(dá)到6 dBi。增益大小影響天線的作用距離。下表中的前三個種類的天線是線極化的，但是微帶面天線可以使圓極化的，對數(shù)螺旋天線僅僅是圓極化的。由于RFID標(biāo)簽的方向性是不可控的，所以讀卡機(jī)必須是圓極化的。一個圓極化的標(biāo)簽天線可以產(chǎn)生3 dB 以強(qiáng)的信號。

表 可選的幾種天線

阻抗問題

為了最大功率傳輸，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來，設(shè)計(jì)天線與50 或 70 歐姆的阻抗匹配，但是可能設(shè)計(jì)天線具有其他的特性阻抗。例如，一個縫隙天線可以設(shè)計(jì)具有幾百歐姆的阻抗。一個折疊偶極子的阻抗可以是一做個標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線的引出點(diǎn)能夠提供一個很寬范圍的阻抗(通常是 40 到 100歐姆)。選擇天線的類型，以至于它的阻抗能夠和標(biāo)簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。另一個問題是其他的與天線接近的物體可以降低天線的返回?fù)p耗。對于全向天線，例如雙偶極子天線，這個影響是顯著的。改變雙偶極子天線和一聽番茄醬的間距做了一些實(shí)際測量，顯示了一些變化，見圖4和圖5。其他的物體也有相似的影響。此外是物體的介電常數(shù)，而不是金屬，改變了諧振頻率。一塑料瓶子水降低了最小返回?fù)p耗頻率16%。當(dāng)物體與天線的距離小于62.5 mm的時候，返回?fù)p耗將導(dǎo)致一個3.0 dB的插入損耗，而天線的自由空間插入損耗才0.2 dB?？梢栽O(shè)計(jì)天線使它與接近物體的情況相匹配，但是天線的行為對于不同的物體和不同的物體距離而不同。對于全向天線是不可行的，所以設(shè)計(jì)方向性強(qiáng)的天線，它們不受這個問題的影響。

輻射模式

在一個無反射的環(huán)境中測試了天線的模式，包括了各種需要貼標(biāo)簽的物體，在使用全向天線的時候性能嚴(yán)重下降。圓柱金屬聽引起的性能下降是最嚴(yán)重的，在它與天線距離50mm的時候，反回的信號下降大于20 dB (見圖6)。天線與物體的中心距離分開到100—150mm的時候，反回信號下降約10 到12 dB。在與天線距離100mm的時候，測量了幾瓶水（塑料和玻璃），見圖7，反回信號降低大于10 dB。 在蠟紙盒的液體，甚至蘋果上做試驗(yàn)得到了類似的結(jié)果。

局部結(jié)構(gòu)的影響

在使用手持的儀器的時候，大量的其他臨近物體的使讀卡機(jī)天線和標(biāo)簽天線的輻射模式嚴(yán)重失真。這可以對于2.45 GHz的工作頻率計(jì)算，假設(shè)一個代表性的幾何形狀，見圖8,9,10， 和自由空間相比，顯示返回信號降低了10dB，在雙天線同時使用的時候，比預(yù)料的模式下降的更多。圖11和圖12是在一個天線前的一個橫截平面的接收信號等高線圖，顯示了嚴(yán)重的失真。在倉庫的使用環(huán)境下，一個物品盒子具有一個標(biāo)簽會有問題，幾個標(biāo)簽貼在一個盒子上以確保所有時候都有一個標(biāo)簽是可以看見的。便攜系統(tǒng)的使用有幾個天線的問題。每個盒子兩個天線足夠適合門禁裝置探測，這樣局部結(jié)構(gòu)的影響變得不再重要，因?yàn)殚T禁裝置的讀卡機(jī)天線被固定在倉庫的出入，并且直接指向貼標(biāo)簽的物體。

距離

RFID 天線的增益和是否使用有源的標(biāo)簽芯片將影響系統(tǒng)的使用距離。樂觀的考慮，在電磁場的輻射強(qiáng)度符合UK的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時，2.45 GHz 的無源情況下，全波整流，驅(qū)動電壓不大于3伏，優(yōu)化的RFID天線阻抗環(huán)境(阻抗 200 或 300 歐姆)，使用距離大約是1米[3]。如果使用WHO限制[4]則更適合于全球范圍的使用，但是作用距離下降了一半。這些限制了讀卡機(jī)到標(biāo)簽的電磁場功率。作用距離隨著頻率升高而下降。如果使用有源芯片作用距離可以達(dá)到5到10米。

總結(jié)

全向天線應(yīng)該避免在標(biāo)簽中使用，然而是可以使用方向性天線，它具有更少的輻射模式和返回?fù)p耗的干擾。天線類型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配。在一個倉庫中使用天線好像是不可行的，除非使用有源標(biāo)簽，但是在任何情況下，倉庫內(nèi)的天線輻射模式將嚴(yán)重失真。一個門禁系統(tǒng)的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無源標(biāo)簽。當(dāng)然門禁系統(tǒng)比手持的儀器昂貴，但是手持儀器工作人員需要使用它到倉庫搜尋物品，人員費(fèi)用同樣昂貴。在門禁系統(tǒng)中，每一個物品盒子，僅需要2個而不是4個或6個RFID標(biāo)簽。

參考文獻(xiàn)

1.     C M Montiel, Lu Fan and Jai Chang, `A Novel Active Antenna with Self-Mixing and Wide-band Varactor-Tuning Capabilities for Communication and Vehicle Identification, IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-44, No 12, Dec. 1996, p2421-2430

2.     C W Polenz and Tatsuo Itoh, `A Microwave Noncontact Identification Transponder using Subharmonic Interrogation, IEEE Trans on Microwave Theory and Tech, Vol. MTT-43, No 7, July 1995, p1673-1679

3.     Restrictions on human exposure to static and time varying electromagnetic fields and radiation, Documents of the NRPB, Vol. 4, No 5 to 7-63, 1993

4.     Electromagnetic Fields (300 Hz to 300 GHz), Environmental Health Criteria 137, WHO, Geneva, 1993