RFID 系统的标签天线设计与应用综述

张徐之,李 康,王 芳,赵维巍

(哈尔滨工业大学(深圳) Sauvage 智能材料实验室 深圳市柔性印刷电子技术重点实验室,广东 深圳 518055)

RFID(Radio Frequency Identification)即射频识别技术,起源于第二次世界大战中英国空军设计的敌我识别系统。1948 年,美国科学家Stockman[1]研发了一种点对点通信的全新传输系统,提出了反射功率通信的基本理论。Richardson[2]在1963 年发表了远程激活射频驱动设备的专利,为无源RFID 电子标签的出现奠定了理论基础。1967 年,Vinding[3]设计了问答器识别系统,RFID 的工作模式被正式建立,RFID 系统开始得到广泛研究。20 世纪80 年代,随着集成电路技术的飞速发展,RFID 技术研发也走向了一个全新的阶段。单芯片集成电路的实现使RFID 系统趋于小型化,为RFID 标签的应用提供了可能性。到21 世纪,RFID标签开始投入工业生产,在各个场合被广泛使用。RFID 系统通过天线实现信息数据在标签与读写器之间传递,在开发低成本、智能化和应用特定的管理系统方面有一定优势[4]。RFID 系统的部署有助于降低劳动力成本和提高工作场所的生产率,现已在物流、医疗保健、交通、制药行业[5]等多个领域应用,RFID 技术的研究与普及对促进国民经济的发展具有重要的意义。

天线、芯片和读写器是射频识别系统的主要组成部分,射频信号通过天线在标签和读写器之间进行传输。标签由天线和IC 芯片组成,服务于特定的应用。RFID 系统中,天线是通信的桥梁纽带。RFID 标签与周围环境之间的无线通信线路的效率和可靠性直接取决于天线[6],同时,RFID 系统设计的难点更多集中在标签天线,尤其是天线线路设计上。对于应用于个性化、小规模化定制的特殊场景的RFID 标签而言,天线设计尤为重要。超高频RFID 的天线设计需要满足天线小型化、低成本、宽频带等要求。然而,为了匹配芯片阻抗,使用附加的集总元件通常会使设计变得庞大[7],因此需要探索新的匹配技术,使电子标签设计更紧凑。当天线的几何形状设计使天线尺寸因子成功减小时,天线的辐射效率会受到一定影响而降低,也就是说,研究者们总是难以在减小天线尺寸的同时保证天线性能。因此,如何通过新型的匹配技术和采用减小天线尺寸的新策略来为特定应用场合下的电子标签设计合适的天线变得更加重要,合理的天线电路设计成为了RFID 标签中的研究重点。为此,本文对近年来RFID 标签的应用情况及研究进展进行了调研,对天线设计的相关知识和基本方法进行了概述,并总结了现有天线设计中的技术难点及部分解决方案,展望了RFID 标签天线未来面临的挑战及发展前景。

1 RFID 应用与研究现状

RFID 技术是一种效率极高的信息采集方式,将RFID 与互联网技术结合起来,可最大化地利用RFID技术实现大范围的信息跟踪[8]。除此之外,RFID 电子标签的高耐久性与抗污染能力[9]也进一步加强了其在应用市场上的潜力。RFID 系统根据不同应用场景其结构组成会有所不同[10],但标签天线始终是一个成功的RFID 系统中最关键的组成部分之一[11],是无线通信系统中重要的一环,在RFID 系统中作为辐射或接收无线电波的装置起关键作用。典型的RFID 系统工作原理如图1 所示,天线在标签和读取器间传递射频信号,天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置,通过电感耦合或电磁反向散射耦合原理和读写器进行通信。

图1 RFID 系统工作原理Fig.1 Working principle of the RFID system

根据所应用的不同频段,射频标签天线可分为低频、高频、超高频以及微波频段四种类型。我国RFID相关标准规定,低频RFID 系统的主要工作频率为125 kHz 或134 kHz,应用于近距离识别,识读距离小于10 cm,传输信息量低,不能同时进行多标签识别,可应用在食堂饭卡等短距离应用场景;高频RFID 系统主要工作频率为13.54 MHz,属于近场RFID 技术,识别距离为10 cm～1 m。高频RFID 与低频RFID 相比虽然读取距离相差不大,但传输速度更快,存储容量更高,且可进行多标签识别,读写器与标签交互过程中受外界影响小[12],主要应用于门禁控制、电子付费等领域;超高频RFID 系统的工作频率范围为860～960 MHz,采用的工作方式为电磁反向散射耦合[13],识读距离一般为3～8 m,信息数据传送速率快,可同时进行大量标签的识读,一般可应用于物流管理等领域;微波RFID 系统的主要工作频率为2.45 GHz 或5.8 GHz,识读距离大于10 m,对环境的敏感度较高,可应用于ETC、实时定位系统等领域。以下将具体介绍RFID 技术的典型应用与研究现状。

1.1 RFID 技术典型应用

由于RFID 技术具有不受运动状态与空间环境限制的特点,其一经问世便引起了多个领域的广泛关注,典型应用有:

(1)物流。在物流运输管理中,电子标签技术取代了大量人工作业,大大提高了自动化水平和管理效率;

(2)身份识别。由于RFID 技术读取信息的速度极快,准确性高且具有防伪性质,多个国家将其应用于身份识别证件;

(3)供应链管理。RFID 技术可应用于零售业,用于货物的无线识别和跟踪,如图2 所示,可降低人力成本,减少出错率;

图2 超市中用于跟踪识别货物的RFID 系统Fig.2 A RFID system for tracking and identifying goods in a supermarket

(4)自动生产。RFID 系统可应用于工业产品的装配流水线[14],通过对控制系统进行管理来实现自动生产[15]。

(5)图书管理。图书管理系统采用RFID 技术,具有可移动、灵活性较大的特点,可以简化图书管理流程,极大地提高图书管理效率,满足图书高效、快速的流通需求[16],促进图书管理的现代化、智能化。最大的电子图书馆西雅图公共图书馆启用了由TAGSYS开发的UHF RFID 系统,如图3 所示,该系统可以实时检查图书的收集情况[17]。

图3 图书馆中用于搜索标记图书的RFID 系统Fig.3 A RFID system for searching and marking books in a library

除此之外,RFID 技术也在食品[18]、防伪和安全控制[19]、生物传感[20]、医疗[21]、温度传感器[22]、交通[23]、军事等领域发挥着越来越重要的作用。可以看出,RFID 技术具有极大的发展潜力,未来的应用市场将极为广阔。

1.2 天线设计研究现状

在全球范围内,欧美的RFID 技术处于世界领先行列,拥有比较成熟的天线设计技术及相关产业链。相较而言,我国的RFID 技术略为落后,虽然在技术门槛较低的低频、高频RFID 方面具有一定竞争力,但在如今应用领域最为广泛的超高频RFID 方面却缺乏核心技术。

天线和芯片是RFID 系统的重要部件,但系统设计的难点还是更多集中在标签天线,尤其是天线电路设计上。超高频RFID 的天线设计需要满足天线小型化、低成本、宽频带等要求,而标签天线已经成为了RFID 系统在实现小型化过程中的一个阻碍,当工作频率上升到超高频频段时,无源RFID 标签天线的设计也变得更加复杂和关键。在RFID 标签天线的设计中,天线小型化问题始终是研究重点之一。同时,天线小型化后的增益和带宽特性也是需要重点关注的内容。除此之外,标签天线研究的热点还包括阻抗匹配技术、抗金属天线设计技术、多频宽带天线设计、天线优化分布技术、天线抗干扰性与一致性技术[24]等。

近年来,研究学者们提出了多种新型的RFID 标签天线结构设计。

(1)减小尺寸:为了满足军事和商业领域的应用需求,近年来对小型、紧凑天线的需求大幅增加。

微带贴片式天线因馈电方式多样化以及馈电网络集成化等特点在印刷天线中占据了重要的地位,但由于其谐振频率是由贴片腔的主导模态决定的,因此微带贴片天线难以实现小型化。尽管如此,研究者们进行了大量的实验工作,为实现贴片天线小型化提供了一些新的思路。1995 年,Waterhouse 等[25]使用短路引脚从贴片中心将电压零点移开,而短路元件与空载状态下贴片电压为零的相对位置决定了天线小型化的程度。当短路元件放置在贴片边缘时,可实现电压零点的最大偏移。从而可减小60%的天线横向尺寸。2002年Gianvittorio 等[26]通过在辐射贴片上放置狭槽和对辐射边缘进行分形化来增加天线电流路径的长度,从而降低了天线的谐振频率。扩展的电流路径的长度决定了天线的小型化的实现程度,一般可缩减38%的天线尺寸。在垂直方向上,也可通过对贴片的折叠来实现贴片横向尺寸的降低,但当贴片为多层结构时,为了保证天线的整体体积保持不变,天线的厚度将会增加。微带贴片天线也可以通过使用高介电常数材料来实现小型化。当加载相对介电常数为εr的空贴片腔时,其谐振频率的降低正比于。因此高介电常数材料相对普通材料而言更适合用于制备尺寸大幅减小的天线,但其成本较高,不适合于天线的量产。2012 年,Ouedraogo 等[27]介绍了一种新的设计方法,通过在传统的微带贴片结构与地平面之间增加一个包含互补分裂环谐振器的单层,可以在保持阻抗匹配和场模式结构的同时,大大减小天线的尺寸,最高可减小75%。虽然天线小型化程度的提高会导致部分带宽的损失和辐射效率的降低,但是研究中发现带宽和辐射效率的降低处于可接受的范围内。

(2)增加频带宽度:新型人工材料如高阻抗表面、反应性阻抗表面、磁介质和超材料的出现,在实现天线微型化的同时,还可实现天线带宽的拓宽。2007年,Mosallaei 等[28]发现反应性阻抗表面可以在缩小天线尺寸的同时增加贴片天线的带宽。2016 年,He等[29]使用超材料设计的微带贴片天线实现了宽频带工作的良好性能。Aziz 等[30]在2012 年通过对圆形贴片天线由无槽到增加双槽时的带宽进行对比,发现双槽技术可以将天线带宽从30.3 MHz 提高到32.66 MHz,提高了近7.78%。

(3)阻抗匹配:天线在与芯片共轭匹配时能使输出功率最大化,同时,共轭匹配要求超高频辐射片输入电阻小,输入电感电抗大。2013 年,Alhawari 等[31]为了提高RFID 标签天线的性能,提出了一种新的电感耦合馈电技术。标签天线由两个U 形馈电结构和一个位于材料基板上表面的辐射偶极体组成。集成电路芯片端角直接与两个相反的U 形结构的中心连接,通过感应耦合与天线进行通信。其中,U 形馈电结构为辐射偶极子天线提供了等效电感,由此可对电感耦合强度进行灵活调整,为天线阻抗与芯片阻抗的有效匹配提供了简单的解决方案。2016 年,Gao 等[32]在超高频RFID 标签天线的设计中采用了T 型匹配与分流馈电技术来获得规定的输入阻抗。2019 年,Bansal 等[7]采用了一种电感耦合天线的螺旋环形馈电方式来保证超高频下标签天线与芯片之间的共轭阻抗匹配。天线包括具有弯曲结构的辐射元件和印刷在接收基板上的螺旋形匹配回路。标签的电抗主要取决于螺旋回路的尺寸,螺旋形匹配回路被电感耦合到天线上,通过对天线进行尺寸调整可以很容易地实现与芯片阻抗的匹配,从而在谐振频率下最大限度地实现标签的功率传输。同时还可将弯曲的辐射元件耦合到回路中,以提高其辐射效率。他们所提出的标签天线在体积尺寸、增益和带宽方面也都有较好的整体性能,适用于超高频范围的RFID 应用。

为了使天线与不同的芯片阻抗进行匹配,一般需要进行天线的重新设计。而2012 年,Tang 等[33]提出了一种基于双蟹形贴片和微带偶极子的新型宽带天线结构,该天线可直接在金属板或其他物体上进行集成,并实现与不同超高频RFID 芯片的匹配。此类结构的优点在于不需要对标签进行再设计就可用于不同RFID芯片的使用。小的微带偶极子直接贴附在双蟹形贴片上实现电路连接,可以使微带天线带宽得到有效提高。芯片通过两个小型的微带端口与偶极子相连接。此外,通过调整偶极子的宽度或偶极子到天线中心的距离可对天线阻抗进行改动,以实现标签天线与不同的超高频RFID 芯片的有效匹配。结果表明,该标签天线具有较高的增益和良好的辐射性能。

(4)提高增益:传统的微带天线存在带宽窄、增益低的问题。Balanis[34]提出了一种陷波技术,可降低微带贴片天线的回波损耗并提高其增益性能。2010年,Azad 等[35]为了提高天线的增益,提出了一种新型的单馈电正交线极化可调微带阵列天线。基于寄生阵列技术的结构用于增益增强。天线由一个正方形馈电贴片、四个寄生贴片和四个开关二极管组成。四个开关二极管加载在馈电片的角上,通过通孔安装在馈电片与地平面之间,以控制表面电流。实验结果表明,四个寄生贴片围绕馈电元件的布置可对增益实现明显增强,使天线增益达到12 dB。

2 标签天线设计方法

2.1 天线设计原则

2.1.1 阻抗匹配

RFID 电子标签由标签天线和芯片组成,在进行标签天线的设计时,先根据实际应用选取性能指标符合要求的芯片,再根据芯片阻抗值进行天线设计,同时为了保证天线的高传输效率,要尽可能地根据具体场合中的应用频率值进行天线形状设计,使天线与芯片的阻抗能满足共轭匹配。由于天线需要满足小型化和低成本的需求,在标签天线的设计过程中,通过设计额外的电路来实现芯片与天线的共轭匹配的方法是不可取的,应该直接设计天线的形状与结构来使天线阻抗值与芯片的共轭匹配。无源电子标签天线与芯片接口处的匹配十分关键[36],其等效电路图如图4 所示。

图4 RFID 无源标签等效电路Fig.4 Equivalent circuit of RFID passive tags

信号源阻抗为ZG(ZG=RG+jXG),其共轭阻抗为,天线负载阻抗为ZL,传输线特征阻抗为Z0(设传输线无损耗),输入阻抗为Zin(Zin=Rin+jXin)。经过简化可得负载功率为[37]:

假设源阻抗ZG恒定,改变输入阻抗Zin,为了得到最大功率P,对Zin的实部和虚部进行微分:

求解式(2)和(3)可得:

求解式(4)和(5)可得:Rin=RG,Xin=-XG,Zin=。

结果表明电子标签与天线之间阻抗关系为共轭匹配,对于固定的源阻抗,在此条件下可使负载得到最大功率,代入式(1)可得最大功率值为:

由式(4)和(5)得出的结果及式(6)可看出,在共轭匹配的条件下,天线能最大化地进行能量输出和接收。一般而言,RFID 系统中标签芯片的阻抗值并不是固定的值,在不同的应用环境与不同的应用频率下,其阻抗是个相应变化值,因此为了得到标签芯片的阻抗值,需要将标签芯片置于目标应用环境下,并根据此时在工作频率下测得的阻抗值作为标签天线的共轭匹配阻抗。

典型的无源RFID 标签从根本上依赖的是天线与特定集成电路芯片标签之间的理想阻抗匹配。理想的匹配可以增加芯片的工作功率,从而使读取范围最大化。新的匹配技术可以使电子标签设计更紧凑,如使用弯曲结构来减小天线尺寸,这种方法增加了电路的长度并减小了天线的物理尺寸。标签天线通常采用电感耦合馈电和T 型匹配实现等效电感,以抵消芯片阻抗的电容性电抗。集成外部匹配网络与额外的制造成本不是实现理想共轭匹配的最优解,更新的一种尝试是将天线直接匹配到芯片上,但这种方法将不得不处理随频率变化的标签天线的复杂阻抗与驱动芯片的输入功率问题[31]。另外,标签附着的介质、标签贴附的平面反射与标签到读写器的距离等参数都会对电子标签的性能造成影响。因此,标签天线的设计还面临着众多挑战,需要一一克服。

2.1.2 设计要求

对印刷型天线而言,天线设计尤为重要。天线线条宽度、天线匝数、天线尺寸与其性能和成本关系密切。天线越细,电阻越大,对品质因素的影响也就越大,会对天线的识读距离造成一定影响。但一般而言,天线线条宽度对性能影响较小。天线匝数增多会使其电感增大,在相同电容下天线的谐振频率降低。而天线尺寸缩小会影响天线带宽和辐射效率。同时,由于天线线条宽度、天线匝数与天线尺寸决定了天线面积,因此其不仅会对印刷型天线的性能造成影响,还将对天线的制造成本产生较大影响。由此可以看出,天线的设计实现性能与成本的平衡对印刷型天线而言十分重要。

总体而言,尺寸、成本、阻抗匹配、工作频带和读取距离等都是设计RFID 标签天线的重要因素[38]。而RFID 标签天线的设计常需要在性能和尺寸之间进行权衡。标签天线的电性能取决于它的最大读取范围,也就是取决于其增益值[39]。但在天线性能和尺寸要求之间总是存在矛盾。减小天线尺寸会降低其效率和增益,从而降低天线的最大通信距离。

由于大多数超高频RFID 标签必须附着在小物件上,所以超高频RFID 标签对天线的几何尺寸要求更高。因此,当工作频率上升到超高频频段时,应用最为广泛的无源RFID 标签天线的设计变得更加复杂和关键。

超高频RFID 标签通常要求在小型化的同时其天线效率和增益也应尽可能不受影响。因此研究人员开始将各种微型化技术应用于天线设计中,如使用高介电常数材料作为基质、加载短路引脚、插入插槽、使用超材料和倒F 配置以及曲流结构设计等。同时,为了使RFID 系统满足广泛的应用市场的需求,天线带宽应尽可能的宽。因此人们采用了各种带宽拓宽方法,如降低天线的质量因素,采用多贴片、多片结构、微带天线加载技术等[40]。然而,尽管上述方法可使天线具有微型化的结构和良好的电磁性能,但在实际应用中仍有很大的局限性[6]。除此之外,天线设计还需满足应用和环境一体化的要求,如金属兼容性、鲁棒性以及可靠的长距离运行[16]。

2.2 标签天线设计流程

RFID 标签天线设计的基本流程如下所示:

(1)工作场合的确定。首先应确定RFID 标签的应用场合,根据目标应用场所对标签识读距离的要求、RFID 标签的工作频率、标签应用场所是否为封闭式、应用环境以及标签附近是否存在金属干扰等来选取适当的天线形式。

(2)基片材料的选取。确定RFID 标签天线形式后就应选定基片材料,介质基片的介质损耗因素tanδ、相对介电常数εr和厚度h会对天线的性能造成直接影响。选择相对介电常数较低或厚度较高的基片材料会使制得的天线增益较高,频带较宽,效率也较高。通常情况下,介质基片可取的最大厚度值需满足其与波长之间的比值在0.2 附近。当选取的介质基片的相对介电常数较高时,天线的带宽较窄,但尺寸相对较小;而当选取的介质基片的相对介电常数较低时,天线的频带较宽,但尺寸较大。实际上很难找到非常理想的介质基片,因此基片材料的选取一般是根据实际情况而酌情考虑。

(3)天线尺寸要求。根据具体的应用场合确定天线的尺寸范围。一般当天线尺寸减小时,会造成某些方面的性能下降,但可以通过对天线形状进行再设计,进而在满足使用要求的前提下尽量达到减小天线尺寸的目标。

(4)芯片阻抗的确定。RFID 标签天线阻抗需要满足与芯片阻抗的共轭匹配,因此在天线设计中需要确定RFID 标签芯片在工作频率下的阻抗值,再根据得到的阻抗值进行天线形状设计。

(5)天线设计仿真。目前天线设计仿真软件有很多,如CST、HFSS(ANSYS/ANSOFT High Frequency Structure Simulator)、Sonnet、XFDTD、FEKO 等。不同软件所侧重的天线设计场景不同,目前应用最为广泛、综合性能评价较好的软件为HFSS。

使用HFSS 软件进行天线设计的流程如图5 所示。

图5 HFSS 天线设计流程Fig.5 Antenna design process with HFSS

2.3 标签天线的性能测试

RFID 标签天线制备完成后需要对其重要参数进行测量,以检测其性能优劣。检测方法如下:

(1)方向图。天线方向图可通过两种方法进行测量,一是在天线辐射远场测量数据并绘制方向图;二是在条件不足,无法进行远场测量时,通过测量辐射近场的数据,间接分析推算出天线远场辐射场。

(2)增益。天线增益可用频谱分析仪进行测量。测试时可使用一种天线作为标准发射天线,再用另一种标准天线和待测天线作为接收天线进行对比实验,最后通过接收到的信号对比计算得出天线具体增益值。

(3)阻抗。目前最常用的标签天线阻抗测试方法有测量线法、扫频反射计法和镜像法等。测量线法的精度较高,但每次测量只能反映一个频率上的测量结果,不适于宽带内的阻抗测量。扫频反射计法可快速得到频带范围内天线的响应曲线,但设备复杂,频率受限于测试设备的工作频带[41]。镜像法主要用于对称的偶极子标签天线的阻抗测量,可通过矢量网络分析仪对天线的一半进行测量,再推导出整个标签天线的阻抗。由Alhawari 等[31]提出的差分探针具有对称的结构,因此被用来测量标签天线的特性。天线阻抗测量设置如图6 所示。实验测量是在室内环境中进行,将差分探针一端连接至矢量网络分析仪,另一端焊接到标签天线。

图6 天线阻抗测试Fig.6 Antenna impedance test

(4)驻波比。驻波比需要在空旷的室外环境进行测试,需要保证天线周围无遮挡物。通过使用驻波测试仪进行测试。

(5)标签读取距离。RFID 电子标签的读取距离可通过测试平台进行测量,测量结果的对比可以部分反映标签芯片与天线的匹配程度和封装情况。

3 总结与展望

现如今物联网技术已成为技术革新的热点,而RFID 技术是物联网感知层技术的基础,也是当前物联网技术研究的热点和难点。相比于传统的条形码以及磁卡而言,RFID 标签具有扫描速度快、安全性高、方便阅读、重复性强、良好的环境适宜能力以及数据存储量大的优点,并且其寿命更长。

RFID 技术现已大量应用于物流运输、医疗、交通、零售等领域,由于其具有的出色性能,RFID 系统未来的应用市场将极为广阔。例如,RFID 技术独特的无线识别性能使其十分适合应用于科研领域内的跟踪类实验研究。同时,RFID 系统在开发智能化的管理系统方面具有潜在优势,在大规模的商业应用与自动化管理类工业领域中也具有十分良好的应用前景。而在整个RFID 系统中,射频标签天线设计和研究的重要性不言而喻,天线设计的方法即借助计算机电磁仿真软件进行标签天线的设计与优化。

为了满足更多的市场需求,适应于多种应用环境,RFID 标签天线需要满足小型化、成本低、宽带化等特性。研究者们常通过短路引脚加载、设计特殊形状的补丁以及使用倒F 槽和曲流结构等方法来实现标签天线的小型化,并研制新型的性能优越、成本更低的导电油墨或采用将天线直接附着于芯片的新型匹配方法来降低天线的制造成本。而标签天线宽带化还可通过微带天线加载技术、降低质量因素、采用多片结构等方法实现。然而,天线的高性能与小尺寸总是难以兼得,大幅减小天线尺寸的同时会对其性能造成不利影响,而注重提高天线性能的同时又会使天线尺寸过于庞大。因此,天线的设计还需要根据具体的应用场合,选取适合的形状设计,在小体积和优良性能之间做好协调。RFID 标签天线设计未来面临的主要挑战还是在天线小型化与降低成本的同时,实现标签性能的稳定与优化。这些问题的解决会使RFID 系统能更好地适应复杂的环境,其应用领域将更加普遍化。因此,标签天线小型化、阻抗匹配和性能优化将会是RFID 技术的后续研究重点。