RFID标签天线的设计与测试
超高频RFID天线设计技术研究
超高频RFID天线设计技术研究王宜菲【摘要】在RFID系统中,一个很重要的指标就是读写距离,影响读写距离的重要参数则是读写器天线和标签天线的设计.天线设计是RFID无线射频识别系统设计的关键部分,设计出合适的天线是确保系统正常通信的前提.从近场耦合天线的理论分析着手,通过实际RFID项目中的总结,结合实际RFID系统天线设计所需主要考虑的物理参量,并根据这些参量确定设计步骤.%In RFID system, the key index is the readable distance. The important parameters that affect the reading distance is those of RFID reader antenna and tag antenna performance. Antenna design is the key part of RFID system design. Designing an appropriate antenna is the precondition of insuring the normal communication. Proceeding from the theory of near field coupling, the physical parameters which should be taken into account in RFID design were designed.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)011【总页数】3页(P113-114,119)【关键词】RFID技术;阅读器天线;RFID电子标签天线;天线设计【作者】王宜菲【作者单位】69036部队,新疆库尔勒841000【正文语种】中文【中图分类】TN827-340 引言RFID无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)的应用由来已久，最早可追溯到第二次世界大战时，英国空军飞机使用的敌我飞机识别系统。
UHF频段RFID天线的小型化设计与分析
UHF频段RFID天线的小型化设计与分析一、综述随着无线通信技术的飞速发展，RFID（无线射频识别）技术已广泛应用于各个行业，从物流追踪、库存管理到门禁系统等。
特别是在UHF（超高频）频段，RFID系统的读写距离和读取速度得到了显著的提升，使其成为物联网领域备受关注的通信技术之一。
RFID系统主要由RFID阅读器（读写器）和RFID标签（电子标签）组成。
在UHF 频段，RFID阅读器和标签之间的能量传输主要依赖于天线。
传统RFID 天线由于尺寸大、损耗大等问题，在实际应用中逐渐暴露出性能不足的问题。
对UHF频段RFID天线进行小型化设计与分析显得至关重要。
天线的工作原理与性能参数：首先介绍RFID天线的基本工作原理，以及影响其性能的主要参数，如增益、驻波比、效率等。
小型化设计方案：探讨在UHF频段实现RFID天线小型化的各种途径，包括采用截断正方形贴片天线的SRR负载的超材料、开槽环谐振天线、截断正六边形贴片天线等。
同时将几种方案应用于实际中评估性能。
性能分析: 讨论在上述小型化方案中，如何优化设计以提高天线的性能，如提高方向性、减少互扰、降低损耗等，并分析这些方法在实际应用中的优势和局限性。
仿真实验与实际测试：通过使用电磁场仿真软件对小型化RFID天线进行初步设计估计，然后通过实际制作和测试对比实验数据，来验证改进方案的有效性和可行性。
_______技术简介RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术是一种基于无线射频通信的非接触式识别技术。
它通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需建立机械或光学接触。
RFID系统通常由标签（Tag）、读取器（Reader）和后端管理系统组成。
在RFID应用中，当标签进入阅读器的射频场范围内时，标签会自动激活并与读取器进行通信。
标签内包含了可编程的存储器和天线，用于存储信息、识别码以及接受命令。
读取器发送的无线电波能量会激发标签内的电路，使其能够传输存储在其中的唯一识别信息。
用于RFID系统的天线设计
用于RFID系统的天线设计RFID（无线射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线电波传输信息，实现物品的自动识别和追踪。
RFID系统主要由标签和阅读器组成，而天线则是连接标签和阅读器的关键组件。
天线的设计对于RFID系统的性能和可靠性有着至关重要的影响。
RFID系统通过无线电波进行通信，通常使用的是56 MHz的频率。
标签内置天线，用于接收来自阅读器的信号，并将信号传输到芯片中。
阅读器则通过天线发送信号，同时接收来自标签的信号。
图像处理技术也常常被用于RFID系统，以识别和解析标签上的信息。
天线设计是RFID系统设计的关键部分，主要包括以下步骤：方案选择：首先需要确定天线的类型和结构，根据应用场景的不同，可以选择不同的天线方案。
参数确定：在设计过程中，需要确定的参数包括天线的频率、增益、阻抗、波束宽度等。
这些参数的计算和选择将直接影响天线的性能。
设计仿真：利用仿真软件对设计进行模拟和分析，以验证设计的可行性和性能。
实验验证：制作样品，进行实际测试，以验证设计的有效性和可靠性。
在RFID系统的天线设计中，可能会遇到以下技术难题：阻抗匹配：天线与标签和阅读器之间的阻抗匹配是影响信号传输的重要因素。
如果阻抗不匹配，将会导致信号传输效率降低，甚至无法传输。
信号噪声比较：在复杂的电磁环境中，信号可能会受到各种噪声的干扰，如何提高天线的信噪比是一个关键问题。
针对以上技术难题，以下是一些可能的解决方案：采用全向波瓣天线或圆形天线：这些类型的天线具有较好的阻抗匹配特性，可以有效提高信号传输效率。
优化天线结构：通过改变天线的结构，可以改善天线的电气性能，减少信号噪声的影响。
使用滤波技术：滤波技术可以有效地抑制噪声，提高信号的信噪比。
天线设计在RFID系统中具有至关重要的地位。
正确的天线设计可以保证RFID系统的高性能和可靠性，进而广泛应用于供应链管理、门禁系统、支付系统等领域。
本文介绍了RFID系统和天线的基本原理、设计流程以及可能遇到的技术难题和解决方案。
RFID与天线设计问题探讨讲解
由上面的方程大家就可以清楚的计算出来标签可以工作多远了。但是经常有人问我，为
?这里就要谈到另外一个指标——阅读器
前面我们提到的Friis方程并总结的公式是针对正向距离的，如图5所示，只是表示标
但是不能说明阅读器能听到标签说的话从而完成对标签的识别工
图
这里要提出一个概念——反向链路。其实任何一个无源系统都是由两部分链路组成的，
840M-960MHz呢?关于LF、HF、UHF等故事很多，我这里就针对UHF RFID来讲一下
(天线)还是先有蛋(RFID)的故事。
UHF RFID由来
人们在长期使用条码之后发现条码有很多弊端，比如识别率比较低，容易被污染。这个
?因为电磁波通讯不需要介质阻
有了这个想法的科学家们兴奋了，就开始深入研究，发现条码的尺寸基本固定一般宽高
3英寸(7.5cm)、5英寸(12.5cm)，总面积小于12平方英寸(75cm*cm)。大
UHF的标签可以发现，大部分面积都是天线只有中间的一个小黑点是芯片，
RFID标签的大小主要是由天线尺寸决定的。
既然已经知道了天线尺寸那么就要选择工作频率了。人们通过一组测试数据最终确定了
的频率。测试是这样的：一个发射天线，一个接收天线(接收天线就是今后的RFID
)，其中发射天线的输出功率一定，接收天线的尺寸一定，看在不同的频率下接收天线
(今后的标签灵敏度)就相当于频率与距离的关
1所示为不同频率下的工作距离图。
不同频率下的工作距离图
从图中可以看到，在频率800-1G的情况下工作距离是最远的。其实早期的手机频率
就是因为早期的手机尺寸(早期的手机尺寸都很大，天线很长)也是这
最宽的带宽也在美国。咱们中国的RFID科学家么也要加油，今后也创
RFID电子标签天线设计指南之详细讲解
RFID电子标签天线设计指南之详细讲解1 引言射频识别是一种使用射频技术的非接触自动识别技术，具有传输速率快、防冲撞、大批量读取、运动过程读取等优势，因此，RFID 技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重大的应用潜力。
目前，射频识别技术的工作频段包括低频、高频、超高频及微波段，其中以高频和超高频的应用最为广泛。
2 RFID技术原理RFID系统主要由读写器(target)、应答器(RFID标签)和后台计算机组成，其中，读写器实现对标签的数据读写和存储，由控制单元、高频通信模块和天线组成，标签主要由一块集成电路芯片及外接天线组成，其中电路芯片通常包含射频前端、逻辑控制、存储器等电路。
标签按照供电原理可分为有源(acTIve)标签、半有源(semiacTIve)标签和无源(passive)标签，无源标签因为成本低、体积小而备受青睐。
RFID系统的基本工作原理是：标签进入读写器发射射频场后，将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理，需要回复的信息则从标签存储器发出，经逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回读写器。
3 RFID系统中的天线从RFID技术原理上看，RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能。
在标签与读写器数据通信过程中起关键作用是天线，一方面，标签的芯片启动电路开始工作，需要通过天线在读写器产生的电磁场中获得足够的能量;另一方面，天线决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式。
因此，天线尤其是标签内部天线的研究就成为了重点。
3.1 RFID系统天线的类别按RFID标签芯片的供电方式来分，RFID标签天线可以分为有源天线和无源天线两类。
有源天线的性能要求较无源天线要低一些，但是其性能受电池寿命的影响很大：无源天线能够克服有源天线受电池限制的不足，但是对天线的性能要求很高。
一种RFID读写器天线的设计与分析
一种RFID 读写器天线的设计与分析随着无线电频率识别技术（RFID）的广泛应用，RFID 读写器的设计与开发已经成为了一个热门话题。
RFID 读写器是一个能够与标签通信，并获取标签信息的设备。
其中，天线是RFID 读写器的重要组成部分之一，它对读写器的性能和工作效率有着重要的影响。
在本文中，我们将介绍一种RFID 读写器天线的设计与分析过程。
首先，我们需要了解RFID 天线的基本原理和性能指标，其次，介绍天线的设计考虑因素，然后设计实验以验证天线性能，并最后在实验结果的基础上对天线性能进行分析。
一、RFID 天线的基本原理和性能指标RFID 系统由两个部分组成：读写器和标签。
读写器通过发送射频信号，激发标签中的天线产生电磁波，并通过标签内的芯片进行通信。
因此，天线的设计对于RFID 系统的性能具有重要的影响。
天线的性能通常可以通过以下指标来衡量：（1）增益：表示天线将发射功率的多少倍转化为辐射功率的能力。
增益的单位为分贝（dB）。
（2）带宽：表示天线在一个频率范围内工作的能力。
带宽的单位为赫兹（Hz）。
（3）阻抗匹配：表示天线在特定频率下的输入阻抗。
阻抗匹配越好，天线的效率和性能就越高。
二、天线的设计考虑因素当设计RFID 天线时，需要考虑以下因素：（1）频率范围：由于RFID 系统可用的频率有多个不同的频段，因此需要考虑要设计天线的频率范围。
（2）波束宽度：波束宽度是指天线在垂直方向上的辐射范围。
选择适当的波束宽度可以使天线达到更好的定向性能。
（3）天线形状：天线的形状也会影响其性能。
例如，有些形状的天线会有特定的增益和辐射特性。
（4）天线材料：天线材料应具有较低的电导率和介电常数。
（5）尺寸：天线的尺寸也是设计中需要考虑的一个重要因素。
三、实验设计在实验中，我们使用ANSYS HFSS（High-Frequency Structure Simulator）软件来设计RFID 天线。
首先，我们需要确定天线频率范围。
RFID技术及其测试方案
RF I D技术及其测试方案(安捷伦科技有限公司 供稿)1 RF I D背景介绍无线射频识别(radi o frequency identificati on, RF I D)实际上是自动识别技术(aut o matic equi pment identificati on,AE I)在无线电技术方面的具体应用与发展。
该项技术的基本思想是,通过采用射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RF I D技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
RF I D技术主要应用于以下几个方面:(1)军事物流系统RF I D技术源于美国,早在二战期间,就用于飞机的敌我识别,在最近几年的局部战争中,RF I D技术已经成功地应用于美军后勤的物流管理,无论是在物资定购中、运输途中、还是在某个仓库存储中,通过该系统,各级指挥人员都可以实时掌握物流所有信息。
RF I D接收发送装置通常安装在运输线检查站以及仓库、车站、码头、机场等关键节点上。
接收装置收到RF I D标签信息后,连同接收地的位置信息,传送给后勤调度管理中心,同时存入中心信息数据库。
RF I D作为一种自动识别系统,它通过非接触的射频信号自动识别目标并采集数据,可识别高速运动目标并可同时识别多个目标,无须人工干预,操作快捷方便,可适应各种恶劣环境。
无论军用物资处于采购、运输、仓储、使用、维修的任何环节,各级指挥人员都可以实时掌握其信息和状态。
RF I D可以极快的速度在读/写器和电子标签之间采集和交换数据;具有智能读写及加密通信的能力,世界唯一性密码,极强的信息保密性,这对于军事物流要求准确、快速、安全、可控提供了切实可行的技术途径。
因此,大力推广RF I D技术在军事物流系统的应用是非常紧迫和必要的。
(2)门禁保安将来的门禁保安系统均可应用射频卡,一卡可以多用。
比如,可以用作工作证、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等,目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。
RFID标签天线的与设计
传输系 τ 的增大而增大，所以理想情况下标签天线的输入阻抗要设计
成与标签芯片的输入阻抗共扼匹配。
(a)Qc=1 或 Qc=-1
(b)Qc=10 或 Qc=-10
图 1 功率传输系数 τ 与天线归一化阻抗 ra、xa 的关系图
2）对于同样的 ra 和 xa 值，Qc 的绝对值越小时，τ 的值越大，在共扼 匹配的情况下，对应的天线辐射效率越高。 值得注意的是，标签芯片的 输入阻抗的虚部都是远大于实部的，这要求在设计芯片时保证尽可能 大的输入阻抗实部实现范围，进而在天线设计时可以获得较大的阻抗 实部取得较小的 Q 值．
从天线吸收的功率为：
Pc=Pa·τ
（3）
如果定义 ra=Ra ／ Rc x=Xa ／ Xc 由公式（2）可得：
τ=
4ra
2
（4）
1+ra+jQc(1+xa)
其中 Qc=Xc ／ Rc，进一步可得 ra，xa 的方程如下
2
姨 姨 姨姨 ra-
2 -1 τ
2
2
+Qc [xa +1] =
4
(1-τ)
τ
（5）
【 关 键 词 】RFID ； 标 签 天 线 ； 仿 真 测 试 ；HFSS The Research and design of RFID Tag Antennas YANG Jun-ping WU Xin-hui
(Department of Electronic Information and Electrical Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang Henan ，455000, China) 【Abstract】With the development of the RFID technology, the tag antenna design has gradually become a new hotspot. In the paper, the key technology of RFID tag antenna, in RFID system works at 915MHz. According to the theory of tag antenna, a mono -pole plane antenna with S structure, is designed, whose total size is 36mm×100mm. The center frequency of the antenna is 915MHz, and the pass-band is 902MHz ~ 928MHz (VSWR<2). Furthermore the orientation performance is also good at the resonant frequency. 【Key words】RFID; Tag antenna; Simulation testing; HFSS
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RFID标签天线的设计与测试
RFID技术作为一种新兴的自动识别技术,RFDD系统朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展。
设计出高效、稳定、可靠的标签天线显得尤其重要,天线很大程度上决定了整个RFID系统的性能。
本文阐述了RFID系统中天线的作用 设计RFID标签
天线考虑的主要性能参数 设计方法以及测试。
【关键词】RFID 标签天线设计
RFID(Radio Frequency Identification)无线射频识别技术被视为20世纪最重要
的十大技术之一。
RFID标签天线是 IC 卡中芯片进行信息传递、时钟和能源获取的唯
一通道被当作是标签与读写器之间的重要耦合部件RFID标签天线的质量和性能影响整个卡片的通信距离、成本、使用年限以及可靠性等。
RFID标签的设计必须同时具备低成本和高可靠性这两点要求同时由于某些限制RFID标签需要根据不同形状和类型的
物体做具体的设计或贴在表面或嵌入物体内部。
目前国内外对 RFID天线的研究重点主要集中在外部环境对天线性能的影响和天线的细部结构上。
1 RFID系统中天线的作用和功能
射频识别系统中电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体阅读器又称为读
出装置扫描器、通讯器、读写器取决于电子标签是否可以无线改写数据。
天线是射频
识别系统中基本的元件由读写器产生特定频率的无线电信号通过天线到达应答器芯片
内部的电路当系统开启后电子标签和阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间无
接触耦合、在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递、数据的交换。
无源标签天线
主要有两个功能 第一是充当一个传递者通过将带有标签信息的能量反向散射回读写
器天线让读写器系统处理数据。
第二是充当一个载体将能量有效地传递到标签芯片里
维持标签芯片正常的工作功率。
对应第一个功能产生了反向散射的问题利用芯片内的
开关电路改变芯片阻抗造成不同的反射波反射至标签天线让标签天线散射大小不同的
能量以达到逻辑“1”和“0”的能量信息。
这关系到标签天线与芯片之间的阻抗匹配。
当改变阻抗让散射波强度改变形成的是ASK调制或者是不改变散射波强度而是改变散
射波的相位形成的是PSK调制。
本文在设计反向散射电路时通过改变散射波的相位的
方法采用PSK调制原因是采用ASK调制会带来能量的损失。
对应第二个功能的要求就产生了两个问题 天线的功率拦截面积和标签天线与芯片之间的阻抗匹配。
天线的功
率拦截面积在规定的范围内是越大越好当两者的阻抗达到或接近最大功率转移时标签
天线所接收到的能量就能有效地传送到芯片所以天线的功率拦截面积越大就能让芯片
有足够的能量达到最大功率。
2 设计RFID标签天线时应考虑的主要性能参数
2.1天线的输入电阻天线的输入阻抗的概念是指输入的信号电压与电流的比率。
阻抗的公式为 Zin= jXin+Rin, 天线的阻抗包括电抗分量Xin和电阻分量Rin。
输入阻
抗与天线的尺寸工作波长和结构有关。
电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率
的提取所以必须使电抗分量尽肯能的为零也就是尽可能的是天线的输入阻抗为纯电阻。
但是实际上不可能存在零阻抗输入电阻或多或少都有一个小的电抗分量值。
2.2 天线的谐振频率天线的谐振频率简称中心频率。
谐振应该是阻抗的虚部为零的点对谐振天线来讲。
相应的可以跟S11、Smith原图对应。
更多的看S11其实是跟
能量相关在S11越小的地方放射回来的能量越低。
在制作发射天线的馈电系统中, 电长度参数尤为重要合理的参数能使整个天线系统做到很好的配接。
一般情况下越偏离中
心频率它输送的功率越小越接近中心频率天线输送的功率将会随之增大。
2.3 天线的工作频率范围 频带宽度 无论是发射天线还是接收天线它们总是在一定的频率范围频带宽度内工作的。
天线的频带宽度有两种不同的定义 一种是指
天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度 另一种是在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下天线的工作频带宽度。
在移动通信系统中通常是按后一种定义的具体的说天线的频带宽度就
是天线的驻波比SWR 不超过 1.5 时天线的工作频率范围。
一般说来在工作频带宽度内的各个频率点上天线性能是有差异的但这种差异造成的性能下降是可以接受的。
天线
的工作频带宽度是实际应用中选择天线的重要指标之一。
天线的带宽可以通过改变结
构或金属宽度进行调整如何增加天线的带宽是天线研究的一大重点内容为了保证能正
常地接收到所需的频率范围往往要求天线设计的带宽宽于规定的频段。
3 RFID标签天线的设计方法
3.1 介质基片的选取确定标签天线形式之后就应选定介质基片通常 天线电厚度较可取的最大值约为h/λ=0 2 为了得到较宽的频带和较高的增益宜采用较低的ξ和
较厚的基材料。
事实并不存在各方面都理想的基片材料 而主要是根据应用的具体要
求来权衡选定。
3.2 贴片宽度w的选取在确定介质基板材料及其厚度h后 应先确定单元宽度
w的尺寸。
w 的尺寸影响着微带天线的方向性函数辐射电阻及输入阻抗从而也就影响
着频带宽度和辐射效率。
3.3 贴片单元长度L的确定矩形微带天线的长度L在理论上取λ/2但实际上由于边缘场的影响在设计L的尺寸是应从λ/2中减去2ΔL。
L=0.5λ—2ΔL3.4 选取天线尺寸根据标签天线的设计理论选取天线尺寸为 标签宽度W=36mm长L=10Omm 选取
介电常数ξ= 4.6的介质作为天线基板厚度h=6mm。
采用L型金属探针馈电的方式。
4 RFID标签天线的测试
网络分析仪是一种功能强大的仪器正确使用时可以达到极高的精度。
它在射频
及微波元件的测量方面是应用最广的仪器尤其在测量无线射频(RF)元件和设备的线性
特性方面非常有用。
网络分析仪的功能之一就是量化两个射频元件间的阻抗不匹配最大限度地提高功率效率和信号的完整性。
每当射频信号由一个元件进入另一个时总会有一部分信号被反射而另一部分被传输。
在测量时它可以提供反射系数并推算出阻抗的大小且可以测量穿透系数以及推导出重要的S参数及其他重要的参数。
测试方法 测试所用到的仪器为 Agilent 8720ES 矢量网络分析仪只对电压驻波比VSWR输入阻抗Zin天线的反射系数 S11等三个参数进行测试。
具体的测试步骤如下首先进行网络分析仪的单端口校准完成以后在进行网络分析仪的双端口校准。
然后开始进行天线的测试将两个 SMA 同轴线端口分别接在待测天线的两个输入端将测试装置固定好用仪器分别进行阻抗的测量反射系数S11的测量驻波比VSWR的测量并记录测量结果。
5 结束语
中国无源超高频市场还处于发展的初期核心技术急需突破商业模式有待创新和完善产业链需要进一步发展和壮大RFID的应用领域越来越多RFID技术正处于迅速成熟的时期只有核心问题得到有效解决才能够真正迎来RFID无源超高频市场发展。