RFID系统中的天线是必不可少的重要硬件之一,是决定RFID系统性能的关键部件。RFID天线可以分为低频、高频及微波天线;在每一频段,天线又分为读写器天线和电子标签天线。在低频和高频频段,读写器和电子标签基本都采用线圈天线;微波RFID天线形式多样,可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线、宽频带天线等。RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法、印刷法等,这些工艺既有传统的制作方法,也有近年来发展起来的新技术。
RFID读写器的天线也是影响识读率的重要因素。按能量模式划分,RFID读写器的天线可以有线极化和圆极化两种。
天线的极化是指在天线最大辐射方向上,电场矢量的方向随时间变化的规律。不同的RFID系统采用的天线极化方式不同。有些应用可以采用线极化,例如,在流水线上,这时,电子标签的位置基本上是固定不变的,电子标签的天线可以采用线极化方式。但在大多数场合,由于电子标签的方位是不可知的,所以大部分RFID系统采用圆极化天线,以使RFID系统对电子标签的方位敏感性降低。按轨迹形状,极化分为线极化、圆极化和椭圆极化,如图所示。
由于市场现多使用圆极化天线,线极化天线就不多做描述,我们以圆极化天线,标签天线,读写器天线来加以说明天线的作用和特点。
圆极化天线
圆极化天线具有以下特点:
① 无线射频能量以圆形螺旋式天线发射;
② 圆形螺旋式波束具有多方向电磁场,电磁场范围较宽泛,但相对线极化天线而言强度较小;
③ 识读空间宽,但相对线极化天线而言单方向标签灵敏度较小且识读距离较短;
④ 适应于行进方向不确定的标签(标识对象)。
圆极化天线的圆形电磁波束能够同时向各个方向发送。当遇到障碍时,圆极化天线的电磁波束具有更强的弹性和绕行能力,增大了标签从各个方向进入天线的识读几率,因而对标签的粘贴与行进方向的要求相对宽容;但是圆形波束的宽泛也带来了电磁波强度的相对降低,使标签只能享受某一个方向的一部分电磁波能量,而使识读距离相对变短。可以说圆极化天线是以牺牲识读距离为代价,换来了识读范围的宽泛。圆极化天线适应于标签(标识对象)行进方向未知的场合,如配送中心的货物缓存区等。
电子标签天线
一般来讲,RFID电子标签天线需要满足如下条件。
① RFID天线必须足够小,能够附着到需要的物品上。
② RFID天线必须与电子标签有机地结合成一体,或贴在表面,或嵌入到物体内部。
③ 一些应用要求电子标签具备特定的方向性,例如具有全向或半球覆盖的方向性,以满足零售商品跟踪等需要。
④ RFID天线给标签的芯片提供最大可能的信号和能量。
⑤ 无论物品在什么方向,RFID天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配。
⑥ 电子标签在读写器读取区域的时间很少,要求有很高的读取速率,因此RFID系统必须保证标签识别的快速无误。
⑦ RFID天线的频率和频带要满足技术标准,电子标签期望的工作频率带宽依赖于标签使用地的规定。
RFID标签天线必须是低成本,这约束了天线结构和根据结构使用的材料,标签天线多采用铜、铝或银油墨。
读写器天线
① 读写器天线既可以与读写器集成在一起,也可以采用分离式。
② 对于远距离系统,天线和读写器一般采取分离式结构,并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。
③ 读写器天线设计要求低剖面、小型化,读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样,读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展。
④ 读写器天线设计要求多频段覆盖。
⑤ 对于分离式读写器,还将涉及天线阵的设计问题。
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