RFID干貨專欄概述

經(jīng)過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200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(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)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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4.4.3 標(biāo)簽天線設(shè)計過程

在介紹完標(biāo)簽天線設(shè)計要點(diǎn)之后，接下來要討論的是標(biāo)簽天線的設(shè)計過程。超高頻RFID標(biāo)簽天線的性能主要取決于隨頻率變化而變化的標(biāo)簽芯片復(fù)數(shù)阻抗。在天線設(shè)計過程中，為了滿足設(shè)計要求，必須密切關(guān)注標(biāo)簽的識別范圍。由于天線大小和工作頻率限制了天線的最大可達(dá)增益和帶寬，所以必須對標(biāo)簽性能進(jìn)行優(yōu)化，以便滿足設(shè)計要求。通常，不同材料不同的工作頻段上，可調(diào)諧的天線設(shè)計更傾向于為標(biāo)簽制造的誤差和標(biāo)簽性能的優(yōu)化提供容差。

標(biāo)簽天線設(shè)計過程與閱讀器天線設(shè)計過程類似，但又有所區(qū)別，主要包括以下幾個基本步驟，如圖4-67所示。

圖4-67超高頻RFID標(biāo)簽天線設(shè)計的一般過程

確定超高頻RFID標(biāo)簽的應(yīng)用環(huán)境，一旦確定應(yīng)用類別，對標(biāo)簽的要求就可以確定，再根據(jù)要求準(zhǔn)備設(shè)計數(shù)據(jù)，為設(shè)計做好準(zhǔn)備工作；

由于天線是標(biāo)簽的核心組成部分，對標(biāo)簽的設(shè)計要求可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?biāo)簽天線的設(shè)計要求，而標(biāo)簽天線設(shè)計要求主要有頻段、尺寸和形狀、阻抗帶寬、輻射特性、識別范圍、應(yīng)用時的可移動性、成本和可靠性等；

確定天線的材料，即根據(jù)標(biāo)簽天線設(shè)計要求確定天線的構(gòu)建材料，Inlay天線的材料選取主要是指輻射導(dǎo)體和絕緣基底材料的選擇。目前，多數(shù)inlay使用PET作為絕緣基底材料，使用鋁作為輻射導(dǎo)體；

確定標(biāo)簽天線的負(fù)載阻抗。傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中的天線輸入阻抗大多采用50歐姆或75歐姆特性阻抗，而超高頻RFID標(biāo)簽天線輸入阻抗則需根據(jù)所選用的專用芯片阻抗來確定。通常情況下，標(biāo)簽天線輸入阻抗為類似20+j200Ω的復(fù)數(shù)形式（如標(biāo)簽芯片阻抗為20-j200Ω）；

確定天線類型及其參數(shù)指標(biāo)。目前，標(biāo)簽天線通常采用微帶天線(含縫隙天線)，偶極子天線，以及變形的微帶和偶極子天線等類型。微帶天線由于具有很多優(yōu)點(diǎn)而成為閱讀器天線和抗金屬標(biāo)簽的首選天線類型，而普通Inlay多采用偶極子天線類型。天線的參數(shù)指標(biāo)主要針對具體應(yīng)用來確定，一旦應(yīng)用確定后，標(biāo)簽天線的工作頻段、阻抗帶寬、增益、輻射模式等特性就基本確定；

通過對標(biāo)簽天線建模，并對標(biāo)簽天線參數(shù)進(jìn)行多次仿真研究和優(yōu)化，直到設(shè)計結(jié)果滿足設(shè)計要求。目前，標(biāo)簽天線建模和仿真計算及優(yōu)化的工具較多，比較具有典型性的建模和仿真軟件有HFSS，F(xiàn)EKO，CST，ADS和IE3D等，而具有代表性的電磁計算方法有矩量法(MOM)、有限元法(FEM)和有限差分時域法(FDTD)等；

建模和仿真是標(biāo)簽天線設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)分析和測量則是對前者取得結(jié)果的驗(yàn)證，并且通過實(shí)驗(yàn)也可以幫助分析和優(yōu)化天線設(shè)計；

將仿真和實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與具體應(yīng)用的設(shè)計要求進(jìn)行比較，就可以得出設(shè)計評價。設(shè)計評價的積累至關(guān)重要，有經(jīng)驗(yàn)的天線設(shè)計工程師都是在每一次的設(shè)計評價積累中練就出來的。

4.4.4 標(biāo)簽天線設(shè)計案例

在學(xué)習(xí)了標(biāo)簽天線設(shè)計基礎(chǔ)、設(shè)計要點(diǎn)和設(shè)計過程之后，需要動動手找一個簡單的設(shè)計案例來練習(xí)一下。

要求根據(jù)一款特定芯片，設(shè)計其在915MHz下的工作標(biāo)簽天線，已知該芯片輸入阻抗在頻率915MHz 。那么就需要設(shè)計標(biāo)簽天線在頻率為915MHz處阻抗與之共軛匹配。設(shè)計及仿真如下：

圖4-68為標(biāo)簽設(shè)計的模型圖，具體設(shè)計步驟可參照4.1.1中的介紹。筆者使用的仿真工具是Ansoft的天線仿真軟件HFSS。

圖4-68標(biāo)簽天線仿真模型

如圖6-69標(biāo)簽天線仿真方向圖所示，天線方向圖具有全向性特性，輻射增益為2dBi左右。

圖4-69標(biāo)簽天線仿真方向圖

圖6-70標(biāo)簽天線仿真阻抗中，橫坐標(biāo)為頻率值，縱坐標(biāo)為阻抗值；其中m2為天線阻抗虛部，m1為天線阻抗實(shí)部。有圖中的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)可得，在頻率為915MHz處天線阻抗為，在此頻點(diǎn)上滿足與芯片阻抗的共軛要求。根據(jù)傳輸線理論，此時芯片可獲得最大工作能量。

圖4-70標(biāo)簽天線仿真阻抗（915MHz阻抗為15.0+j139Ω）

由圖6-70標(biāo)簽天線仿真阻抗圖可得，天線隨頻率具有特定的分布特性，其中最明顯的特征為阻抗實(shí)部隨頻率升高有一個明顯的上升和起伏，而阻抗虛部隨頻率升高則有一個急劇的下降，即處在一個諧振狀態(tài)的邊緣。每一種、每一個天線都有它特定的阻抗隨頻率的分布特性。

因此如能仿真計算和測試芯片整個頻帶內(nèi)的阻抗分布特性，使后端天線的設(shè)計能夠根據(jù)芯片的阻抗頻率特性來實(shí)現(xiàn)與之在寬頻帶內(nèi)的共軛匹配，可以實(shí)現(xiàn)在較寬的頻帶內(nèi)，標(biāo)簽讀取距離達(dá)到最遠(yuǎn)，射頻的性能達(dá)到最佳。

簡單的仿真設(shè)計案例講完了，如果覺得不過癮，或?qū)Ψ抡孳浖疤炀€設(shè)計很感興趣，可以看一下筆者的另外一本關(guān)于天線設(shè)計的書《UHF RFID天線設(shè)計仿真與實(shí)踐》，書中有大量篇幅教大家如何設(shè)計、仿真/制作和測試各類標(biāo)簽。

4.4.5 常見標(biāo)簽天線詳解

本小結(jié)主要介紹4款超高頻RFID標(biāo)簽及其天線設(shè)計原理，市場上大多數(shù)普通材質(zhì)標(biāo)簽設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)外形都與這4款天線相似。在今后的天線設(shè)計過程中，可以按照這4款天線為藍(lán)本，設(shè)計自己的天線。

1.Alien的ALN-9640（Squiggle）

由于經(jīng)典，所以ALN-9640第一個被拿出來詳解，這款天線也是許多天線設(shè)計工程初學(xué)時的范例。ALN-9640原名Squiggle，如圖4-71所示，尺寸94.8mm×8.1mm，使用芯片Higgs-3。

圖4-71ALN-9640標(biāo)簽天線圖

這款標(biāo)簽的幾個設(shè)計被后世的天線設(shè)計者普遍學(xué)習(xí)和使用：

兩端加寬結(jié)構(gòu)：增加輻射能力，或理解為增加其輻射電阻。

波形短線結(jié)構(gòu)：減少多標(biāo)簽堆疊干擾影響，電磁波可以透過波形短線把一些能量傳遞到后面的標(biāo)簽；增加輻射尺寸（電長度），一般偶極子天線的長度為半個波長，約為17cm，通過波形短線即可使原長度9.48cm的標(biāo)簽達(dá)到17cm標(biāo)簽的電長度，從而獲得較好的方向增益。

非對稱結(jié)構(gòu)：如果大家仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)簽是非對稱的，非對稱結(jié)構(gòu)帶來阻抗在不同頻率變化平緩，從而增加標(biāo)簽的帶寬。

此類天線的標(biāo)簽最適合應(yīng)用于箱標(biāo)，且支持批量箱子堆疊通過識別。

2.Alien的ALN-9654（G-Tag）

ALN-9654又名G-Tag，如圖4-72所示尺寸93mmx 19mm，是一種適合貼在各種不同的介電常數(shù)物體上的標(biāo)簽，常用于玻璃風(fēng)擋標(biāo)簽。這種標(biāo)簽設(shè)計同樣顛覆了傳統(tǒng)標(biāo)簽的設(shè)計思路。

圖4-72 ALN-9654標(biāo)簽天線圖

這款天線設(shè)計的特點(diǎn)如下：

金屬覆蓋面積大：雷達(dá)截面大，反向散射能量強(qiáng)，閱讀器接收標(biāo)簽反射的能量很強(qiáng)，即使在很復(fù)雜的環(huán)境中依然可以使用。

縫隙耦合方式：相當(dāng)于弱耦合連接方式，外界介電常數(shù)影響小，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

非對稱結(jié)構(gòu)：如果大家仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，該標(biāo)簽是非對稱的，非對稱結(jié)構(gòu)帶來阻抗在不同頻率變化平緩，從而可以增加標(biāo)簽的帶寬。

綜合以上的特點(diǎn)，該類型的標(biāo)簽有致命的缺點(diǎn)，就是標(biāo)簽覆蓋面積太大，對后面的標(biāo)簽電磁場阻擋的非常嚴(yán)重，在批量標(biāo)簽應(yīng)用中劣勢比較明顯。但是針對單個標(biāo)簽應(yīng)用于復(fù)雜介質(zhì)的標(biāo)簽，是最好的選擇。

3.Alien的ALN-9613（SIT）

ALN-9613又名SIT，如圖4-73所示，尺寸12mm×9mm，是一款近場天線設(shè)計。只要見到一個閉合的小環(huán)標(biāo)簽，就理解為近場標(biāo)簽。

圖4-73ALN-9613標(biāo)簽天線圖

該標(biāo)簽的特點(diǎn)是尺寸小，只能近距離工作。配合近場閱讀器天線效果更佳，保證讀卡距離在近場、遠(yuǎn)場突變明顯。此類型天線的標(biāo)簽一般做成白Inlay用于單品級防偽，由于標(biāo)簽尺寸小，相對成本較低，加上防偽時需要近距離一對一操作，相比與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場偶極子標(biāo)簽，在防偽等應(yīng)用中具有優(yōu)勢。此類型標(biāo)簽通常制作成易碎標(biāo)簽使用。

4.Impinj的H47（True 3D）

Impinj的H47標(biāo)簽是第一款3D標(biāo)簽，如圖4-74所示，其尺寸44mm×44mm，是首次實(shí)現(xiàn)了真正全向輻射的標(biāo)簽。

圖4-74Impinj的H47標(biāo)簽天線圖

其設(shè)計要點(diǎn)：在一個正方形或圓形的區(qū)域內(nèi)，設(shè)計兩個相互垂直的偶極子天線，同時還要完成匹配特性。這里一定要注意的是，要處理好這兩個相互垂直的偶極子天線之間的耦合系數(shù)。

H47標(biāo)簽采用True 3D 天線技術(shù)，可用于服裝、零售業(yè)、資產(chǎn)管理、物流等行業(yè)。對于類似機(jī)場行李管理場景，標(biāo)簽在傳送帶運(yùn)輸時無法確定標(biāo)簽的朝向，采用3D標(biāo)簽在不確定閱讀器輻射極化方向的應(yīng)用中的具有較好的識別效果。

如果你已經(jīng)完全掌握了本節(jié)的內(nèi)容，恭喜你，你已經(jīng)成為一名合格的中級超高頻RFID天線設(shè)計工程師了。如果還希望在超高頻RFID標(biāo)簽天線設(shè)計上深造和發(fā)展，就需要在更多領(lǐng)域研究，包括芯片內(nèi)部構(gòu)造、封裝工藝影響、反向信號強(qiáng)度天線設(shè)計、堆疊模型等。而這些領(lǐng)域一般人很難接觸到，只有在芯片原廠或大的標(biāo)簽公司才有機(jī)會得到學(xué)習(xí)和鍛煉。