（通信与信息系统专业论文）可印刷超高频rfid抗金属标签天线的研究与设计.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口。 不保密守。 学位论文作者签名：彳劲器指导教师签名：乏例 砷f 1 年石月弓日2 。f f 年6 月l ；日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 江苏人学硕l j 学位论文摘要 摘要 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术，是一种利用射频通 信实现的非接触式自动识别技术。它利刚射频信号的空f u j 耦合实现无接触信息传 递并通过所传递的信息达到识别对象的目的。在很多实际的应用中，r f l d 标签 需要贴附于会属物体表面，或赢接e p b l j 并集成于金属物品的包装介质之上。由于 在超高频波段和微波频段，r f i d 标签天线与电路对近处金属体十分敏感，普通 的无源标签无法在具有会属的物体表面上j 下常工作，需要开展抗金属标签设计。 本文首先简要介绍了超高频r _ f i d 的工作原理，在分析目前常用的抗金属标 签天线设计方法的基础上，选用导电油墨作为标签天线的制作材料，针对卷烟和 内有铝塑板的药品包装实际应用需求，分别设计了可直接印刷于包装盒上的超高 频r f i d 抗会属标签天线。主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 设计了一种新型无源超高频r f i d 抗金属标签天线，可以直接印刷并集 成于金属物品的包装薄纸之上。测试结果表明，所设计的r f i d 标签天线具有良 好的方向性和输入阻抗特性，能够和所选用的芯片实现较好的共轭匹配。当包装 纸厚度为0 5 2 m m 时，所设计的抗金属印刷标签的最大阅读距离可以达到 6 3 0 m m ，基本满足应用需求，具有较好的实用价值。 ( 2 ) 设计了一款结合会属物品包装会属拉线的可印刷超高频r f i d 抗金属标 签天线，并从节约成本角度出发对其进行了改进。测试结果表明，改进前后的天 线均具有良好的输入阻抗特性，能够和所选用的芯片实现良好的共轭匹配，并且 两款天线都具有很好的方向性。同时改进后的天线能够节省一定的导电墨材料， 节约成本。 ( 3 ) 为内含铝塑板的药盒设计了_ 款以z i g z a g 天线为标签天线的无源超高频 r f i d 抗金属标签。测试结果表明，所设计的z i g z a g 天线标签具有较好的输入阻 抗特性，满足一些对阅读距离要求较小的特殊场合的应用需求。同时，本文还根 据对实际情况的分析证明了该z i g z a g 天线标签对于药盒内不同位置的铝塑板均 可获得较好的工作特性。 关键词：射频识别，超高频，抗金属标签，导电油墨 江苏人学硕? l ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t if i c a t i o n ( r f i d ) i sak i n do fn o n t o u c h i n ga u t o m a t i c i d e n t if y i n gt e c h n o l o g yw h i c hu s e sr a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n i ti su s e dw i t ht h e c o u p l i n go fr a d i om a g n e t i cf i e l dt or e a l i z ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di d e n t i f yt h e i t e m s f o rl o t so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，r f i dt a g sh a v et ob ep a s t e do nm e t a ls u r f a c e h o w e v e r ，u h fa n dm i c r o w a v eb a n d sa r eg r e a t l ys e n s i t i v et om e t a ls ot h a tt h ep a s s i v e t a g si nt h e s eb a n d sc a nn o tw o r ke f f e c t i v e l yo nt h em e t a ls u r f a c e t h eb a s i cc o m p o n e n t sa n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea r ei n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i s d i s s e r t a t i o nf o ra b o v e p r o b l e m t h e n t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y s e s t h ec u r r e n t c o m m o n l y - u s e dd e s i g nm e t h o d so fa n t i m e t a lt a ga n t e n n a ，w h i l es e l e c t i n gi n k j e tt ob e t h em a t e r i a lo ft h ea n t e n n a f i n a l l y ，i td e v e l o p ss e v e r a lu h fr f i da n t i m e t a lt a g sf o r t h ea c t u a ld e m a n do ft h ep a c k a g i n go fc i g a r e t t e sa n dm e d i c i n e t h ed i s s e r t a t i o n m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： ( 1 ) an e w t y p eo f p a s s i v eu h f r f i da n t i m e t a lt a ga n t e n n ai sd e s i g n e d t h et e s t r e s u l ts h o w st h a ti th a sg o o dd i r e c t i v i t ya n di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c t h em a x i m u m r e a d i n gd i s t a n c ew a s a b l et ob e6 3 0 m mw h i c h s a t i s f yt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s au h fr f i da n t i - m e t a lt a ga n t e n n ac o m b i n e dw i t hm e t a lc a b l ei sd e s i g n e d ， a n dw ei m p r o v ei tf o rc o s ts a v i n g t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tb o t ht h ea n t e n n a sh a v e g o o dd i r e c t i v i t ya n di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c a n da l s ot h e yc a nm e e tt h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s ( 3 ) ap a s s i v eu h fr f i da n t i - m e t a lt a gb a s e do nz i g z a ga n t e n n ai sd e s i g n e df o r t h em e d i c i n ec a r t o nc o n t a i n i n gb l i s t e rp a c k a g e s t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ez i g z a g a n t e n n ah a sg o o di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c ，a n ti t sm a x i m u mr e a d i n gd i s t a n c ei s e n o u g ht om e e ts o m es p e c i a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s i na d d i t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o n a l s oa p p r o v e dt h a tt h ea n t i - j a m m i n gf e a t u r eo ft h ez i g z a gt a gi ss t r o n g k e yw o r d s ：r f i d ，u h f ，a n t i - m e t a lt a g ，i n k j e t i i 江苏人学硕i ：学位论文目录 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 国内外发展现状一2 1 2 1 射频识别技术的发展与研究现状2 1 2 2 抗金属标签天线的研究现状4 1 3 本文的主要工作和结构安排5 1 4 本章小结一6 第二章r f i d 技术基础及抗金属标签设计技术7 2 1r f i d 系统基本结构及工作原理7 2 2r f i d 系统的分类一9 2 3 超高频r f i d 系统的能量传输1 1 2 3 1 阅读器到电子标签的能量传输。1 1 2 3 2 电子标签到阅读器的能量传输l2 2 4 天线基本工作参数1 3 2 4 1 天线方向性函数和方向图1 3 2 4 2 天线方向性系数一13 2 4 3 天线效率和增益1 4 2 4 4 天线输入阻抗1 4 2 4 5 天线带宽15 2 5 抗金属标签天线的设计技术1 5 2 5 1 标签的阻抗匹配1 5 2 5 2 功率传输系数1 6 2 5 3 标签的最大读取距离17 2 5 4 抗金属标签天线的常用设计方法1 7 2 6 导电油墨印刷r f i d 标签天线19 2 6 1 导电油墨简介一1 9 2 6 2 导电油墨进行天线印刷的优势2 0 江苏人学硕上学位论文 目录 2 6 3 导电油墨印刷r f i d 标签2 1 2 7 本章小结2 3 第三章可印刷并集成于包装介质表面的r f i d 标签天线设计2 4 3 1 新型r f i d 抗金属印刷标签天线的设计2 4 3 1 1 天线结构2 4 3 1 2 天线性能一2 5 3 2 标签的制作与测试2 8 3 2 1 标签试制2 8 3 2 2 标签输入阻抗测试2 8 3 2 3 标签工作特性测试一3 0 3 3 天线结构的关键参数对天线性能的影响3 1 3 4 本章小结一3 3 第四章结合金属拉线的可印刷r f i d 抗金属标签天线设计。3 4 4 1 结合金属拉线的可印刷r f i d 抗金属标签天线的设计3 4 4 1 1 天线结构3 4 4 1 2 天线性能一3 5 4 2 标签的制作与测试3 8 4 3 天线结构的关键参数对天线性能的影响3 8 4 4 结合金属拉线的可印刷r f i d 抗金属标签天线改进4 1 4 4 1 减少导电油墨的天线结构一4 1 4 4 2 改进后的天线性能4l 4 4 3 改进后天线结构的关键参数对天线性能的影响4 4 4 4 本章小结4 6 第五章基于药品包装的r f i d 抗金属标签天线设计4 7 5 1z i g z a g 天线简介4 7 5 2 超高频无源z i g z a g 标签天线4 8 5 2 1z i g z a g 天线在药盒上的应用4 8 5 2 2z i g z a g 天线性能4 9 5 3 标签的制作与测试5 l i v 江苏人学硕+ i ：学位论文 目录 5 4 天线结构的关键参数对天线性能的影响5 2 5 5 参数h 和x 的变化对天线性能的影响5 5 5 5 1 参数h 的变化对天线性能的影响5 5 5 5 2 参数x 的变化对天线性能的影响5 6 5 6 本章小结5 8 第六章总结与展望5 9 参考文献6 l 致谢6 5 攻读硕士学位期间发表论文6 6 v 江苏人学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一项利用射频信号 通过空间祸合实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的自动识 别技术。与传统的自动识别系统( 如条形码) 相比，r f i d 技术具有很多优势【l 】 比如：可以定向或非定向的远距离读取或写入数据，而无需保持识别的目标可见； 可以在恶劣环境下工作；支持多标签同时处理；对物体进行物理定位；大容量信 息存储等等。r f i d 作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信 息化标准的基础，被列为本世纪十大重要技术之一，并已经逐渐成为企业降低成 本、提高物流供应链管理水平、增强企业核心竞争力等不可或缺的技术工具和手 段。 r f i d 技术兴起于7 0 年代，在上世纪末得到了蓬勃发展。该技术在世界范围 内正被广泛的应用，但在我国起步较晚。2 0 0 6 年，科技部把“射频识别( r f i d ) 技术与应用”列为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的重大项目。致力于组 织攻克一批r f i d 共性基础及前瞻性产业化关键技术和应用关键技术，并且逐步 建立起我国r f i d 技术自主创新体系、公共应用服务体系和r f i d 标志体系，逐 步构建具有自主知识产权技术的产业链，降低射频标签和阅读器这些关键设备的 生产成本，加速应用软件的开发，增大推广使用的力度，满足物流、交通运输、 生产管理和国家安全等各方面的迫切需要【2 3 1 。 我国的r f i d 技术捐j 有广阔的发展前景和巨大的市场潜力，此项技术的发展 和应用推广将是我国自动识别行业里的一场技术革命。据业内人士预测，r f i d 技术市场将在未来五年内在全球新的产品与服务上带来上千亿美金的商机，因此 可以说r f i d 技术正在成为全球热门新科技。 虽然当前r f i d 技术与应用发展迅速，但尚未成熟，主要有两方面的原因： 一方面是标签成本仍然无法降低到所有厂家可以接受的程度，从而无法实现所有 物品的单品标识。在一个r f i d 系统中，射频标签一般占总投资的6 0 至7 0 。 阅读器和计算机系统的投资是一次性的，而射频标签的数量随着时间的推移和应 用的扩大，会不断增加。另一方面就是r f i d 标签的性能还不能满足所有行业的 江苏人学顾：l 学位论文 第一章绪论 需求，尤其是一些特殊的领域，比如r f i d 抗金属标签、微型化标签、嵌入式标 签、全向性标签等等。而这些特殊领域也成为了各高校和研究机构的研究热点。 其中，又以r f i d 抗会属标签的研究最为重要和紧迫。 在各种r f i d 标签的应用中，很多时候需要对金属物体进行标识，例如：汽 车、钢瓶、集装箱、武器装备等等。而普通的超高频标签放置在金属表面时，标 签的读取距离会迅速缩短，甚至不能被读取，这是超高频( u h f ) r f i d 技术的 不足之处。针对该情况，一些国外r f i d 厂家专门设计了一些能用于金属表面的 抗金属r f i d 标签。这些标签往往存在着体积大、带宽窄、性能差、成本高、加 工复杂等缺点，难以满足实际应用的需要。因此，有必要对超高频r f i d 抗金属 标签的原理及设计方法进行探索与创新，推动我国的高校和企业在超高频r f i d 标签天线设计方面的研究及相关产业的发展，使中国在r f i d 领域的国际舞台上 占有一席之地。 本文j 下是在这样的背景下对r f i d 抗金属标签的设计做出了详细的理论分析 和实践验证。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 射频识别技术的发展与研究现状 r f i d 技术起源于雷达技术，因此其历史可追溯到2 0 世纪初期。1 9 2 2 年， 雷达技术诞生，其原理是依靠发射无线电波到空间，并通过接收到的目标反射信 号来对目标进行定位并测速，这一物理机制就是r f i d 技术的工作基础【4 5 j 。 19 8 4 年，h a r r ys t o c k m a n 在美国i r e ( i n s t i t u t eo fr a d i oe n g i n e e r s 无线电工 程师学会，现在改名为i e e e ) 会议中发表了一篇里程碑式的论文( ( c o m m u n i c a t i o n b ym e a n so f r e f l e c t e dp o w e r ) ) 6 1 ，奠定了r f i d 技术的理论基础。后来，随着电 子科学技术的迅速发展，如大规模晶体管集成电路、微处理芯片、现代通信网络 等新兴技术，推动了r f i d 技术的蓬勃发展。 在过去的半个多世纪时间内，r f i d 的发展大致经历了以下几个阶段： 4 0 年代l9 4 8 年的论文( ( c o m m u n i c a t i o nb ym e a no fr e f l e c t e dp o w e r ) ) 奠 定了r f i d 技术的理论基础。 5 0 年代早期r f i d 技术的初步探索，以实验室研究为主。 2 江苏大学硕i ：学位论文 第一章绪论 6 0 年代在r f i d 技术理论研究的基础上，开始了一些实际应用的尝试。 7 0 年代l 讧i d 技术与产品研发的快速发展时期，出现了一些最早的r f i d 商业应用。 8 0 年代r f i d 技术及产品进入大量商业应用阶段，各种封闭独立的r f i d 系统应用逐渐出现。 9 0 年代r f i d 技术标准化问题越来越得到重视，r f i d 产品得到广泛采 用，可以说是r f i d 应用繁荣发展的十年【7 舶1 。 进入2 1 世纪，r f i d 产品种类更加丰富，电子标签成本不断降低，应用规模 不断扩大。国际主流半导体厂商m o t o r o l a 、t i 、p h i l i p s 、a t m e l 、s t 以及e m 等公司纷纷进入r f i d 技术领域。2 0 0 1 年6 月，日本h i t a c h i 公司宣布制造出世 界上最小的r f i d 芯片“p - c h i p ” t l 】，使得电子标签嵌入纸质材料内部成为可能。 2 0 0 1 年1 0 月，r f i d 防伪标识被使用在欧元上【12 1 。2 0 0 2 年3 月m i c r o m e m 技术 公司和国际纸业( i n t e r n a t i o n a lp a p e r ) 公司共同开发出“纸质”芯片的封装技术 f 1 3 】。全世界最大的零售商沃尔玛( w a l m a r t ) 公司要求它的前1 0 0 家大供货商在 2 0 0 5 年之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用r f i d 技术，2 0 0 6 年前在单 件商品中使用r f i d 技术1 1 4 】。目前，i n t e r m e c 、p h i l i p s 、t i 、s t 、a t m e l 和e m 等公司已有多种高频( h f ) 和超高频( u h f ) 频段的单芯片无源r f i d 标签供应 市场，而且加入了防冲突协议( a n t i c o l l i s i o np r o t o c 0 1 ) 。同时也增加了许多功能， 如电子钱包需要的低功耗读写功能、数据加密功能等，这些功能的加入使得r f i d 系统的应用前景更为广泛。 在我国，虽然r f i d 技术起步较晚，但是在政府有力的推动下r f i d 技术研 究迅速发展，已初现成果。目前国内r f i d 成功的行业应用有电子身份证、电子 车牌、铁路的车号自动识别系统、铁路行包自动追踪管理系统、首都国际机场三 号航站楼的r f i d 行李处理系统、北京市高速公路网电子收费系统等。值得一提 的是在2 0 0 8 北京奥运会上，电子门票和奥运食品供应链成功应用了r f i d 技术。 在电子门票方面，亚仕同方科技有限公司提供了超过1 0 0 0 万张的r f i d 电子门 票。在奥运食品供应链方面，所有食品都加贴了r f i d 电子标签，实现对供应食 品的全程跟踪。此外，政府开始积极推动如邮政、海关、危险品管理、药品管理、 物流等各种试点工作的开展，国内的r f i d 产业链已初步形成。总体而言，我国 江苏人学硕：l 学位论文 第一章绪论 射频识别技术应用状况还处于初级阶段，市场前景非常广阔。实现射频识别技术 在我国成熟、全面的应用将是一个长期的过程，需要业内人士的共同努力。 1 2 2 抗金属标签天线的研究现状 r f i d 应用环境十分复杂，不光货物形式多样，货物摆放的环境对标签天线 的影响巨大，而且应用环境经常处于变化的状态，这就给标签的应用造成了很大 的挑战。对于普通无源超高频标签，当其贴在金属表面时，由于标签天线的阻抗 匹配、辐射效率、方向性都发生了改变i i5 1 ，标签的读取距离迅速降低，甚至难 以被读取。因此，需要对其进行特殊处理或采用特殊标签，以使其可以应用在金 属表面上。 微带天线由于其天线结构需要接地平面，因此可以将金属表面作为其接地表 面，从而可以用来实现抗金属标签天线的设训1 6 7 1 。l e e 1 8 l 设计了一种小型的深 度嵌入馈电的微带天线作为抗金属标签天线，通过改变馈电微带线的长度来实现 阻抗的调节与匹配。但是由于微带天线一般要求天线的有效长度为工作频率波长 的一半，因此在有些领域无法满足天线小型化的需求。与微带天线类似，倒f 天线( i n v e r t e d fa n t e n n a ，i f a ) 或平面倒f 天线( p l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a ，p i f a ) 天线，同样需要接地平面，但天线的尺寸一般只需为波长的1 4 ，因此被广泛采 用作为抗金属标签天线设计的基本原型【1 9 。2 4 】。2 0 0 4 年l e e n au k k o n e n ，l a u r i s y d a n h e i m o 等【2 2 】开发出一款u h f 频段的i f a 天线，这款天线结构简单，易于制 造，而且成本较低，但是它的主波束比较窄，减小了天线的探测范围。此外，偶 极子天线2 5 1 、缝隙天线f 2 6 - 2 8 1 和t 型匹配网纠2 9 1 在抗金属标签天线中都有应用。 与国外研究结构及研究项目相比，国内对r f i d 抗金属标签天线的研究工作 还比较少。香港科技大学的赵犁等人1 3 0 j 研究了金属介质对超高频r f i d 标签读取 效能的影响，并提出了一种可用于金属表面的r f i d 标签的解决方案。该方案能 有效消除金属干扰的负面影响，但在天线轮廓上还是只能满足部分实际应用的需 求。上海交通大学朱文斌等人1 3 i l 设计了一种新型准八木抗金属标签天线，天线 工作频率为2 4 5 g h z ，由于该天线采用双层结构，导致天线厚度较厚，应用受到 限制。华南理工大学赖晓铮f 3 2 。3 5 1 等人设计了多款基于纸基的超高频r f i d 标签， 采用分形天线、折合偶极子、环天线等结构。但这些纸基r f i d 标签都采用天线 4 江苏人学硕上学位论文第一章绪论 基板来增加标签和包装之间的距离，不易集成，并且伴有额外的能量损耗，导致 标签天线的效率降低。 国内虽然有不少r f i d 系统应用集成商及产品丌发商，但对r f i d 标签天线 的研发还并不够重视，多为模仿与借鉴，自主创新比较少。随着r f i d 产业的发 展，相关的知识产权将r 益被重视。因此，有必要加强标签天线的自主创新与设 计，抗金属标签天线就是其中的重要组成部分。 从以上描述可以看出，目前设计的抗金属标签大多需要金属接地板，导致标 签：卷片和接地板不在包装介质的同一个表面上，这限制了标签的应用，不方便集 成。而本文所设计标签不需要金属接地板，并且可以直接印刷在金属物品包装介 质上，方便集成。 1 3 本文的主要工作和结构安排 本论文的主要任务是基于卷烟和药品包装的特殊性，分别设计了可印刷并集 成于卷烟包装和药品包装的无源超高频抗金属r f i d 标签天线。本论文的结构安 排如下： 第一章绪论部分首先分析了本论文的研究背景和意义，接着简要介绍了 r f i d 技术以及r f i d 抗金属标签的研究发展现状并提出了本论文的主要研究内 容，最后阐述了论文的结构和主要的工作安排。 第二章简要介绍了r f i d 的系统构成、系统分类和工作原理，在此基础上详 细描述了超高频r f i d 系统的能量传输。接着介绍了天线的基本工作参数和r f i d 抗金属标签天线设计技术，为抗金属标签天线设计提供了理论基础。最后概述了 导电油墨技术在天线应用中的优势及其在r f i d 标签天线中的应用。 第三章设计了一款可印刷并集成于卷烟包装的无源超高频r f i d 抗会属标签 天线。通过仿真和实物测试，分析论证了该天线的性能，并通过改变天线结构的 关键参数尺寸，来分析天线性能所受的影响，以此总结了该抗金属标签天线在实 际应用中所要注意的地方。 第四章根据第三章抗金属标签天线的设计经验，设计了一款结合物品包装金 属拉线的可印刷r f i d 抗金属标签天线，并从节约成本的角度出发对该天线做出 了一定改进。同时，本章也通过仿真和实物测试，分析论证了该天线的性能，并 5 江苏人学顾：l 学位论文第一章绪论 通过改变天线结构的关键参数尺寸，来分析天线性能所受的影响，总结了该抗金 属标签天线在实际应用中所要关注的方面。 第五章首先简单介绍了z i g z a g 天线的特点，并将其作为r f i d 标签天线，应 用于含有铝塑板的药盒包装中。通过仿真和实物测试，分析论证了该天线的性能， 并通过改变天线结构的关键参数尺寸和铝塑板在药盒中的位霞，分析了天线性能 所受的影响，可以看出该标签天线具有良好的抗干扰性。 第六章对论文内容进行了总结，并根据研究成果和实践经验，提出了未来的 研究方向。 1 4 本章小结 本章首先对本论文的研究背景和意义做了一些论述，接着对r f i d 技术以及 r f i d 抗金属标签的研究发展现状做了简要介绍并提出了本论文的主要研究内 容，最后阐述了论文的结构和主要的工作安排。 江苏人学硕j ：学位论文第二章r f i d 技术堆础及抗金属标签设计技术 第二章r f id 技术基础及抗金属标签设计技术 2 1 r f l d 系统基本结构及工作原理 r f i d 系统是一种非接触式的自动识别系统，它通过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。一个典 型的r f i d 系统的基本结构如图2 1 所示： 标签 l d ? i - 能量+ 询问指令 j 标磋：占片 ? 阅 标签天线 图2 1r f i d 系统基本结构 从上图中可以看出r f i d 系统一般包括阅读器( r e a d e r ) 、电子标签( t a g ) 和 应用系统( a p p l i c a t i o ns y s t e m ) 三个部分。 ( 1 ) 阅读器：又称读写器，主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自 主机系统的控制指令，是r f i d 系统信息控制和处理的中心。阅读器的频率决定 了r f i d 系统的工作频段，其功率决定了射频识别的有效距离。阅读器的基本构 成有软件部分和硬件部分。 软件部分是固化在读写器模块中的软件，负责对读写器接收到的指令进行响 应和对标签发出相应的动作指令。主要包括控制软件、导入软件和解码器。控制 软件负责系统的控制和通信，完成与主机之间的数据传输和命令交换等功能。导 入软件主要负责系统启动时导入相应的程序到指定的存储器空间，然后执行导入 的程序。解码器负责将指令系统翻译成机器可以识别的命令，进而控制发送的信 息，或者将送到的电磁波模拟信号解码成数字信号，进行数据解码、防碰撞处理 等。 硬件部分可以简化为两个基本功能模块即控制系统和高频接口。典型的 r f i d 系统的阅读器硬件结构如图2 2 所示： 7 江苏人学硕_ l ：学位论文第二章r f i d 技术幕础及抗会属标签设计技术 信号 天线 标签 组成 数字 和调 是电 部数 读器 江苏人学硕，f ：学位论文第二章r f l d 技术壮础及抗金属标签设计技术 的控制、设置以及对读取标签信息的管理，同时结合具体应用项目给出适当的判 断与显示，或对数据进行存储及管理。应用系统一般与计算机网络体系连接，并 通过各种r f i d 中间件软件控制和访问网络体系的各层结构。 r f i d 系统的工作原理可以分为四个部分： ( 1 ) 阅读器通过发射天线，向r f i d 电子标签发出一定频率的射频信号。 ( 2 ) 当电子标签进入发射天线有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量， 此时电子标签被激活，将自身编码等信息通过内置射频天线发送出去。 ( 3 ) 阅读器的接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器 传送到阅读器信号处理模块，阅读器对接收的信号进行解码后，将有效信息送到 后台应用系统进行相关处理。 ( 4 ) 应用系统通过逻辑运算识别该电子标签的身份，针对不同的设定做出相 应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。 2 2r fld 系统的分类 r f i d 系统的分类方式很多，本文主要介绍以下几种： ( 1 ) 从电子标签到阅读器之间的通信及能量耦合方式来看，r f i d 系统可分为 电磁感应耦合( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 系统和电磁反向散射耦合( b a c k s c a t t e r c o u p l i n g ) 系统。 电磁感应耦合系统 电磁感应耦合系统主要工作在射频源的近场区，通过空问高频交变电磁场实 现能量交换，依据的是电磁感应定律。这种模式一般适合中、低频近距离r f i d 系统，典型工作频率有1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z ，识别距离一般小于l m ， 典型识别距离为1 0 c m 2 0 c m ，常用于门禁系统和公共交通自动付费系统等方面。 电磁反向散射耦合系统 电磁反向散射耦合系统基于雷达模型，通过阅读器发射电磁波，遇到电子标 签后反射，同时携带相关目标信息回到阅读器，能量交换符合电磁波的空间传播 规律。这种模式一般适合超高频( u h f ) 、微波远距离r f i d 系统，典型工作频 率为4 3 3 m h z 、9 15 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，在常规环境下识别距离大于l m ， 常用于超市、货运等物流领域。 9 江苏人学顾：l 二学位论文第_ 二章r f i d 技术皋础及抗会届标签设计技术 ( 2 ) 根据电子标签系统的信息传输方式，可分为被动式、主动式和半主动式 系统。 被动式系统 被动式系统的标签能量来自于外界，当标签天线接收到阅读器发出的特定频 率电磁波，线圈上就会产生感应电流，经整流后为标签电路供电。被动式系统通 信时需要两次穿越障碍物，且系统本身能量又较小，一般只适合无障碍近距离场 合，但这种系统结构最简单，具有几乎永久的使用期，特别适用于需要频繁读写 信息的场合。 主动式系统 主动式系统在通讯时使用自身的能量，在有障碍物的情况下电磁波只需穿越 一次，适合于用在环境复杂距离较远且多障碍的场合。 半主动式系统 半主动式系统也被称为“电池支援式”反向散射调制系统，其通讯原理介于 被动式和主动式之间，半主动式系统的标签只有被阅读器能量场启动后，才送出 自己的信息，其优缺点也介于被动式和主动式之间。 ( 3 ) 从能量供给形式来看，r f i d 系统可分为有源、无源和半有源系统。 有源系统 有源系统通过标签内部的电池来供电，不需要阅读器提供能量来启动，标签 可主动发射射频信号，识别距离较长，通常可达几十米甚至上百米，缺点是成本 高，寿命有限，而且标签体积较大。 无源系统 无源系统标签内部没有电池，其工作所需的能量需要阅读器发射的电磁场来 提供，体积小、重量轻、寿命长、成本低，可制成各种卡片，是目前最流行的电 子标签形式。无源系统识别距离比有源系统要小，一般为几米到十几米，而且需 要较大的阅读器发射功率。 半有源系统 半有源系统的电子标签也带有电池，但电池只对标签内部电路供电，并不主 动发射信号，其能量传递方式与无源系统类似，因此其工作寿命比一般有源系统 标签要长许多。 l o 江苏人学硕l - q ：位论文第- 二章r f i d 技术雀础及抗企届标签设计技术 2 3 超高频r fld 系统的能量传输 2 3 1 阅读器到电子标签的能量传输 _ 上一节介绍了r f i d 的几种分类方式以及各自的优缺点，本文所研究和设计 的超高频( u h f ) r f i d 标签天线是基于无源电磁反向散射耦合系统的，该系统 中电磁波从阅读器天线向周围空i 订j 发射，会遇到不同的目标，到达目标的电磁波 能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度被目标反射到各个方向上，而反 射能量的一部分最终返回阅读器天线。下面将对电磁反向散射祸合系统的能量传 输原理进行理论分析。 距离阅读器为r 处的功率密度为： = 等= 器 眨， 上式中嘞为阅读器的发射功率，嘞为发射天线的增益，肌p 为阅读器天 线的有效辐射功率，其值为读写器发射功率和天线增益的乘积。在理想状态下， 即电子标签与发射天线都处于最佳姿态，并且极化方向相匹配的状态下，电子标 签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度成正比，即： 与砸= 4 ( 2 2 ) 其中，为电子标签可以吸收的最大功率，4 为电子标签的有效面积，其 值为： 4 = 等g 玩 ( 2 3 ) 其中，g 殛为电子标签天线的增益。因此根据式( 2 1 ) 一( 2 3 ) 可以得到 阅读器的发射功率为： = 4 = ( 去) 2 e 1 r p 汜4 ) 无源r f i d 系统的电子标签通过电磁场供电，标签功耗很大，所以r f i d 电 子标签能否正常工作的另一个决定因素就是电子标签的工作电压，这也是无源 r f i d 系统识别距离的决定因素。 江苏人学顾l j 学位论文第二章r f t d 技术肇础及抗会属标签设计技术 随着集成电路工艺的迅速发展，射频电子标签芯片本身的功耗已经逐渐降 低。目前，典型的低功耗电子标签的工作电压只有1 2 v 左右，标签本身的功耗 可以降低至数微瓦，这使得在无线发射功率受限的情况下无源电子标签的识别距 离依然能够达到1 0 m 以上。 2 3 2 电子标签到阅读器的能量传输 电子标签返叫的能量与它的散射截面面积成j 下比，散射面积是目标反射电磁 波能力的测度，它取决于一系列的参数，这其中既包含反射电磁波的特性，如电 磁波的波长和极化方向等，也包含物体本身的特性，如目标的大小、形状、材料 和表面结构等。 电子标签在空间某个位置接收到阅读器发射的电磁波，一部分吸收用于为自 身工作提供能量，另一部分被反射回去，电子标签反射电磁波的功率为： = s r x 仃 ( 2 5 ) 式中0 7 堙为电子标签的散射截面积，根据式( 2 1 ) 可以得到： = 等堙= 嚣 ( 2 6 ) 则从电子标签返回到阅读器的功率密度为： s r x 器。辫2 罱 ( 2 7 ) 阅读器天线的有效面积为： 4 2 去 ( 2 8 ) 式中g 跗为阅读器天线的增益，根据式( 2 5 ) 一( 2 8 ) 可得出阅读器接收 到的电子标签的反射信号总功率为： = 。4 = 。笔= 之鲁是# c 2 根据以上分析不难得出，通过电子标签存储信息可以改变标签芯片的阻抗， 从而调节电子标签的散射截面积的值，进而使读写器接收到的来自电子标签 的回波发生变化，实现幅度调制和解调，最终完成对标签信息的读取和对被标识 1 2 江苏人学硕? i ：学位论文 第一：章r f i d 技术皋础及抗金属标签设； 技术 物的识别。 2 4 天线基本工作参数 2 4 1 天线方向性函数和方向图刀 天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不足均匀球面波，因此，任何 一个天线的辐射场都具有方向性。所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐 射场的相对值与空间方向( 子午角0 、方位角) 的关系。 为方便比较各种天线的方向性，一般采用归一化的方向性函数，即 删，= 掣= 皆 眨 其中，厶。为方向性函数厂( 伊，矽) 的最大值；瓦觚为最大辐射方向上的电场 强度；e ( o ，矽) 为同一距离( 秒，矿) 方向上的电场强度。 将辐射场振幅与方向的关系用曲线表示出来，称之为方向图，即天线方向图 就是远区任意方向上某点的场强同方向的关系曲线。一般情况下，如无特殊说明， 方向图通常指归化的方向图，即远区任意方向上某点的场强与同- - 1 7 e 离的最大 场之比同方向的关系曲线。 2 4 2 天线方向性系数 方向性系数是用来表示天线向某个方向集中辐射电磁波程度的一个参数。为 了确定天线的方向性系数，通常以理想的非定向天线作为比较的标准。定义为： 在同- i t e 离及相同辐射功率的条件下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 & 缸( 或i k l 2 ) 和无方向性天线( 点源) 的辐射功率密度s ( 或i 厶1 2 ) 之比为： 。寺b 眨 式中e 、e 。分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本 身的方向性系数为1 。方向性系数更一般的表达式为： d ：4 ；r l -( 2 1 2 ) q 月 江苏人学顾i ：学位论文 第二二章r f i d 技术雉础及抗金属标签设计技术 其中d 1 ，d 越大天线辐射的电磁能量就越集中，方向性越强。q 一为天线 的辐射角度： q