UHFRFID系统天线国内外发展现状

1、UHF RFID系统天线国内外发展现状XXX 2011-7-311 .研究意义射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)技术是一种自动识别技术， 它是利用无线射频信号，通过读写器(Reader)、天线和安装在载体上的标签(Tag),形成RFID系统，实现对载体的非接触的识别和数据信息交换1。RFID 技术具有很多优势1：可以定向或不定向的远距离读取或写入数据；无需对识别 目标可见；可识别高速物体；可工作于恶劣环境等2-5。RFID技术已被广泛运用于工业制造、商业和交通管理、身份识别以及防伪 和军事安全等众多领域。例如，在国外，世界零售商巨头沃尔玛百货公

2、司宣布， 到2005年底截止，所有供应沃尔玛百货的商品包装箱上，都要有应用RFID技术的电子商品条形码，沃尔玛百货预期能用新技术进一步降低成本，尤其是减少与库存流程相关的物流失控并降低人力成本；今年03月，一套RFID邮政系统在韩国成功的完成了测试，使邮件投递整个过程完全自动化，从接受邮件到分类 到配送，IDTechEx公司估计，RFID系统包括标签的全球市场到 2018年将达到 25亿美元。在国内，北京首都机场新航站楼已经建设了世界上最先进的基于RFID技术的行李传输系统，旅客的信息和行李的目的地信息会在毫秒间预写入标签 中；京津城际列车已经实现公交化运营，旅客使用基于RFID的射频卡(快卡

3、通)实现直接刷卡上车随到随走；在已经成功举行的北京奥运会和上海世博会中也大 规模应用了 RFID技术；重庆不停车收费系统已于 2010年05月试行，车辆的通 行量增加近四倍6。RFID技术最终将在全球形成一个巨大的产业，值得各个领 域加以关注，RFID技术被誉为21世纪改变人类生活的十大最重要的技术之一 1。天线是构成无线通信系统的空中接口，是影响无线通信系统可靠性等性能的 关键因素之一，设计合适的天线使其满足系统性能指标的要求是非常重要的。RFID系统中的天线主要由读写器天线( Reader Antenna)和标签天线(Tag Antenna)组成。电子标签和读写器通过各自的天线构建起二者之

4、间非接触信息 传输通道。无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线。一方面，无 源的射频标签芯片(Tag Chip)要启动电路工作需要通过标签天线在读写器天线 产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了射频标签与读写器之间 的通讯信道和通讯方式。天线在射频标签与读写器实现数据通讯过程中起到了关 键的作用。RFID系统的最大识别距离、识别灵敏度、通信质量等重要性能参数 与其天线性能的好坏有着直接的关系。因此，天线也是RFID系统中关键部件之一，展开对RFID系统天线的研究对推动RFID系统性能的提高及其产业的快速 发展具有重要意义和实际应用价值。作为平板天线的代表，微带天线自问世以

5、来，以其重量轻、低剖面、易于实 现圆极化、易于共形、易于与有源器件和电路集成等一系列优点7被广泛运用于RFID读写器天线和标签天线的设计。但是微带天线本身是一种谐振结构，故当其应用于RFID系统时，其结构尺寸通常都比较大，不能满足小型化的要求。但 是一些特殊形式的微带天线虽然具有较小的物理尺寸，但是其一些主要的电性能指标（如增益、带宽、方向图等）却不能达到要求。对于 RFID系统，要求其读 写器天线为圆极化以降低极化损耗，这给读写器天线的设计带来了更大的挑战。对于标签天线，需要与标签芯片共腕匹配以实现最大的能量传输，但由于标签芯片的低阻抗和高容性电抗产生高 Q值而使得其难于与标签天线实现宽带匹

6、配网。 另外，由于标签附着在被标识物体上，标签天线会受到所标识物体的形状及物理 特性的影响，如标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的 反射、局部结构对辐射模式的影响等9。尤其是当标签靠近或者粘贴在金属物体 时，标签天线的性能会急剧恶化，所以对标签天线的抗金属性研究具有重要意义。 这些因素给标签天线的设计提出了很高的要求，同时也带来了巨大的挑战。不同国家的RFID系统频率标准都不相同，覆盖了 840MHz960MHz的频率范围，目 前基本还没有覆盖以上频率范围的小型化、 高性能的读写器天线和标签天线。 所 以要实现兼容全世界频率标准的小型化、高性能RFID系统天线存在很大的技术

7、 挑战，具有重要的研究意义。在本项目中，我们将以“小型化”和“高性能”为出发点，重点研究兼容全 世界频率标准的应用于 RFID系统的阅读器天线和标签天线。 在注重缩小天线尺 寸的同时，保持天线在增益、带宽、圆极化带宽等方面的优良性能，探寻既突破 传统微带天线物理制约,又保持优良辐射特性的阅读器天线和标签天线构造机理 和实现方法。该项目一方面为 RFID系统提供实用的小型化、高性能的阅读器天 线和标签天线，另一方面也推动当前宽带小型化天线设计技术的快速发展，因而兼备重要的理论研究价值和工程应用前景。2 .国内外研究现状分析当前的RFID系统主要集中在低频、高频（13.56MHz）、超高频和微波频

8、段， 其中低频和高频RFID由于其技术门槛低，发展较早，技术成熟，产品成本低， 使得这两个频段的产业得到充分发展， 例如第二代居民身份证、教育部学生购票 优惠卡、公交卡等。然而，对于超高频和微波频段，由于频率升高使得射频前端 和天线的研发产生困难，所以目前超高频段和微波频段的RFID技术还不成熟。所以，本项目主要针对超高频 UHF频段展开对“小型化”、“高性能”的兼容全 世界频率标准的RFID系统阅读器天线和标签天线的研究， 具有重要的理论研究 价值和工程应用背景。2.1 阅读器天线研究现状分析目前，对RFID天线的研究主要集中在标签天线上，而对读写器天线的研究 相对较少，对小型化、高性能的读

9、写器天线就研究得更少。RFID读写器天线多采用具有尺寸小、成本低、易实现圆极化、小型化等优点的微带天线形式。读写 器天线主要功能是发射带有信息的能量给不同位置的标签，并且接收由标签回传的信息。由于电子标签天线的极化方式是线极化，且电子标签的放置方向具有任意性，所以要求读写器天线可以接收任意方向的线极化波，同时读写器天线辐射的电磁波能够被任意方向、任何极化方式的标签天线接收，这就要求阅读器天线 必须产生圆极化辐射。由于全球 RFID系统标准的频率范围覆盖了 840MHz960 MHz,带宽较宽，这给需要辐射圆极化波的读写器天线带来更大的困难。另外， 为了适应RFID系统的小型化要求，必须缩小阅读

10、器天线的尺寸，这又带来了天 线小型化与高性能(宽频带、高增益等)的矛盾。目前国内对UHF频段的读写器天线进行了一定的研究，但是多数都采用的 线极化天线，未考虑读写器天线圆极化这一重要特点，而且天线尺寸较大，没有完全覆盖840MHz960MHz频率范围。例如，李秀萍等人设计了用于超高频和 微波频段的双频天线，没有考虑圆极化，尺寸为230mmx 155mmX29.2mm10;李书芳等人提供了一种采用双馈电的、工作在840MHz845MHz和 920MHz925MHz 频率范围的双频圆极化天线,尺寸为 173mmXl73mmx 12.9mm11;胡汝刚在文献12中考虑了天线的圆极化，设计了一种低成本

11、小型化 读写器天线，增益为-1dBi时天线尺寸为90mmx 90mmx 3mm,可应用于读取距 离要求不高的手持读写器中；房少军等人通过水平蜿蜒板馈电技术以及叠层切角 平板配置，使得天线圆极化频带覆盖了 840MHz960MHz、输入电压驻波比小， 适合全球任何一个国家或地区的超高频 RFID系统的应用13。国外对UHF RFID阅读器天线的研究相对较多，基本都考虑了圆极化特性， 大多数都是针对特定国家或地区的RFID频率标准进行的设计和研究。如ShinChul Kim等人针对日本设计了一种新型垂直地面的 UHF频段RFID读写器 天线，引入垂直地面后天线的谐振频率降低了25%,小型化后的天线

12、尺寸为100mmx 100mmx 13mm14; Nasimuddin等人针对韩国设计了一种对角开槽的 UHF频段读写器天线，天线尺寸为 90mmx 90mmX4.8mm15。对于宽带 RFID 阅读器天线，国外有一定的研究，但是其尺寸都相对较大。如文献 16中，陈志 宁(Zhi Ning Chen)等研究了一种由两个堆叠切角贴片和有连接开路终端的悬浮 微带线组成的阅读器天线，该天线圆极化带宽覆盖了全球RFID通用频段，增益高于8dBi,性能较好，其尺寸为 250mmx 250mmx 35mm； Dongmin Shin等人 采用 Wilkinson功分器作为馈电网络设计了工作于840MHz9

13、60MHz和 2.35GHz2.55GHz的双频读写器天线,其尺寸为 200mmX 200mm X 20mm"。由此可见，国内对于兼容全世界 UHF频段的RFID读写器天线研究较少， 几乎没有考虑读写器圆极化的要求， 而且尺寸较大；国外对于读写器天线的研究 较多，也有能够覆盖 840MHz960MHz的宽带圆极化读写器天线，但是它们的 尺寸依然较大。也就是说，目前同时满足小型化且具有宽带圆极化特性的“高性能”读写器天线的研究还很少，所以本项目展开对小型化、高性能的读写器天线 研究具有重要的意义和实用价值。2.2 标签天线研究现状分析标签天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔

14、细地设计标签天线与标签芯片的阻抗匹配。由于标签芯片的低阻抗和高容性电抗产生高Q值而 使得其难于与标签天线实现宽带匹配，当工作频率增加到超高频或微波频段时， 天线与标签芯片之间的宽带匹配问题变得更加严峻。一直以来，天线的开发基本 都是基于50欧姆或75欧姆输入阻抗。而在RFID系统中，芯片的输入阻抗可以 是任意值，而且是实部很小虚部很大的复阻抗， 标签天线必须与该复阻抗共腕匹 配，所以导致标签天线的测试也存在很大的困难。另外，不同于其它天线，标签 天线需要粘贴或者靠近被标识的物体上，使得物体对天线的性能有较大的影响。 尤其是当天线粘贴于金属表面时，如集装箱识别、列车识别等，金属会反射读写 器发射

15、的电磁波，可能导致对标签内的信息读取失败，所以对标签天线的抗金属 性研究非常重要。所以，小尺寸、宽频带、抗金属等要求对标签天线的设计带来 极大的挑战。目前国内已经对超高频RFID标签天线进行了大量的研究，但多数都以偶极 子天线为原型，通过弯折处理来缩小天线尺寸。王琪等研究了对于天线高度和和 宽度有尺寸限定的情况通过改变弯折角、弯折次数以及弯折深度是降低天线谐振 频率从而实现天线小型化行之有效的途径， 弯折偶极子天线与半波偶极子相比具 有更好的尺寸缩减性18,19。但是采用偶极子天线为原型的标签天线，由于没有接地板，几乎不具有抗金属能力。所以对于抗金属的标签天线必须具有接地板，以减小地板对标签天

16、线性能的影响。目前国内对抗金属的标签天线已经有了一定的 研究，如文献20中，莫凌飞等人采用嵌入开路枝节的微带天线实现了工作频率 为900MHz940MHz的抗金属标签天线，其尺寸为 105mrK 21mrK 3mm；胡斌 杰等人采用铁氧体磁性材料为介质基板，利用铁氧体材料吸收电磁波的能力强， 反射、折射、透射都很小的特点，减少金属板对入射波的反射，使其具有抗金属 特性，能够工作于860MHz960MHz频率范围21。虽然这些天线都具有抗金属 特性，但是其尺寸都比较大，剖面较高，同时覆盖840MHz960MHz的宽带小型化标签天线仍然很少见。国外对UHF RFID标签天线也进行了大量的研究，尤其

17、是对小型化的偶极子 天线研究相对较成熟2224。文献22中采用弯折偶极子天线的形式设计了尺寸仅 有30m由30m由1.6mm的UHF RFID标签天线。但这些天线都存在带宽小、增 益低、不具有抗金属特性的缺点。对于抗金属的标签天线国外也进行了大量的研 究,如文献25中，Byunggil Yu等人采用电感耦合馈电的微带天线形式实现了 工作于北美(902MHz928MHz)频段的抗金属标签天线；Hae-Won Son等人采用 耦合馈电的微带天线形式实现了带宽为49MHz的抗金属标签天线26; Horng-Dean Chen等人在文献27中采用弯折的微带线形式实现了覆盖 840MHz960MHz 的

18、宽带抗金属 UHF RFID 标签天线，天线尺寸为 100mm< 50mm< 0.8mm。由此可见，国外对 UHF RFID标签天线的研究较多，已 经有一些实用的抗金属标签天线，但是其尺寸比较大，能够覆盖全球RFID频率标准的标签天线还相对较少，对于克服小型化、宽频带、抗金属等特性的关键技 术仍有待研究和解决。由此可见，目前国内外对UHF RFID标签天线都进行了大量研究，但是能够 同时兼容全球RFID频率标准的具有小型化、宽频带、抗金属等特性的“高性能” 标签天线仍然相对较少，其中还有很多亟待解决的关键技术。 本项目主要结合标 签天线的研究现状，以“小型化”和“高性能”为目标，试

19、图解决标签天线的小 型化、宽频带、抗金属等关键技术，具有重要的研究意义和科学价值。3 .专利详细分析3.1 国内专利情况分析通过查阅中国知网中的中国专利数据库可知，以“RFID/射频识别+读写器天线”为关键词检索到读写器天线的相关专利共12项。根据专利数量可知，研究RFID阅读器天线的机构主要是高校，如西北工业大学、大连海事大学、北京 邮电大学。他们对阅读器天线的研究考虑其圆极化特性较少，大都考虑的线极化情况。文献13中房少军等人通过水平蜿蜒板馈电技术以及叠层切角平板配置， 使得天线圆极化频带覆盖了 840MHz960MHz、输入电压驻波比小，适合全球任 何一个国家或地区的超高频 RFID系统

20、的应用，但是其尺寸相对较大，不利于小 型化应用。以“RFID/射频识别+标签天线”为关键词检索到标签天线的相关专利共69项。根据专利数量可知，研究 RFID标签天线的机构主要是高校和企业，如华南 理工大学、北京邮电大学、嘉兴佳利电子股份有限公司等。他们对标签天线的研 究主要在于小型化和宽带特性，对标签天线的抗金属特性研究较少。文献 21中 设计一款抗金属的宽带标签天线，但是其尺寸较大。国内对于UHF RFID阅读器天线的研究相对较少，多数只考虑了线极化而没 有考虑圆极化特性，而且天线尺寸较大，能够同时兼容全球 RFID频率标准的阅 读器天线较少。对于UHF RFID标签天线国内有了一定的研究，

21、 但能同时兼顾小 型化、宽频带、抗金属特性的高性能标签天线较少。3.2 国外专利情况分析通过查询中国知网的国外专利数据库可知，以“RFID+Reader antenna为关键词检索到读写器的相关专利共 76项。国外对UHF RFID读写器天线的研究基 本都考虑了圆极化特性1417,并以微带天线的形式为主，文献28中采用微带天 线的形式设计了一种UHF读写器天线，但是其尺寸较大，而且没有覆盖840MHz960MHz的频率范围。国外对于UHF读写器天线已经进行了大量研究， 但是能够覆盖全球UHF RFID频率标准的小型化天线仍然较少， 对于小型化、宽 圆极化带宽、高增益的“高性能”读写器天线仍然有

22、许多关键技术有待研究。以“RFID+tag antenna”为关键词检索到标签天线的相关专利共 234项，其 中大部分是针对某一频率范围设计的，没有覆盖 840MHz960MHz的频率范围， 而且尺寸较大。如文献30采用三角形偶极子天线形式设计了一种小型化标签天 线，但是不具有抗金属性。国外对于抗金属的标签天线专利还比较少，如文献31设计了一种至少具有两个调谐枝节的抗金属标签天线，通过改变调谐枝节的数量 进行调谐。虽然国外具有抗金属特性的标签天线数量相对较少， 但是相关的学术 论文却较多2527,3234。但是能够完全覆盖 840MHz960MHz的频率范围的小型 化、宽频带、抗金属的标签天线

23、仍然较少。综上所述，目前国内外都对UHF RFID读写器天线和标签天线进行一定的研 究，但总的来说国内的水平较国外还有一定的差距。从国内外的研究现状可知， 能够同时兼容840MHz960MHz频率范围的具有小型化、高性能的阅读器天线 和具有小型化、宽频带、抗金属特性的标签天线仍然较少， 其中仍有很多关键技 术有待研究，如宽带圆极化读写器天线、小型化高增益读写器天线、小型化标签 天线、标签天线与标签芯片宽带匹配技术、抗金属标签天线等。所以，本项目针对目前国内外对 UHF RFID阅读器天线和标签天线的研究现 状，以“小型化”、“高性能”为目标，研究能够同时兼容全球 UHF RFID频段的 阅读器

24、天线和标签天线，试图解决读写器天线小型化、圆极化、高增益以及标签 天线小型化、宽频带、抗金属等关键技术。本项目的开展对于UHF RFID技术从 理论到实用化的发展有重要的推动作用，同时能够为天线的小型化、宽频带、圆 极化、高增益等技术提供新思路，因而兼备重要的理论研究价值和工程应用前景。4 .研究内容及拟解决的技术难点本项目紧密围绕UHF RFID系统天线这一中心任务，以“小型化”和“高性 能”为目标，研究能够同时兼容全世界UHF RFID频率标准的读写器天线和标签 天线，通过三维电磁仿真软件HFSS或CST与优化算法进行协同设计，完成UHF RFID读写器天线和标签天线的仿真设计和实验验证，

25、并最终利用该阅读器天线 和标签天线构建一套完善的、可靠的 UHF RFID实验系统。4.1 小型化高性能UHF RFID读写器天线随着电路集成化程度的不断提高，以及全世界不同地区的频率标准各不相 同，使得UHF RFID系统，尤其是对应用于其终端的天线提出了小型化、宽频带或多频段的要求。由于电子标签的摆放位置任意，所以需要读写器天线具有圆极 化特性，同时为了增加对标签的识别距离，必须尽可能增大阅读器和标签天线的 增益。因此，本项目的首要任务是研究小型化、圆极化带宽较宽、增益高的高性 能读写器天线。拟解决的技术难点：小型化与宽带阻抗匹配的矛盾当天线尺寸缩小时，必然导致其带宽较小，也就是说，天线的

26、小型化和宽频 带本来就是两个相互矛盾的指标。而全球通用的UHF RFID频率标准要求覆盖840MHz960MHz,频带较宽，而且频率较低，要实现宽带小型化较难，这是本 研究的技术难点之一。小型化、宽频带特性与辐射特性的兼顾天线作为一种辐射器件，除了考虑其传输特性外，更要考虑其辐射指标。一 般情况下，天线在尺寸减小的同时会伴随着带宽变窄、效率降低、方向图畸变等 性能的恶化，为了保证天线在尺寸减小、带宽拓展的同时保持良好的辐射特性， 我们将充分的考虑天线的辐射特性， 分析天线的等效辐射源，保证天线在实现小 型化和宽频带后具有有效辐射源，以提高UHF RFID系统的识别距离和识别灵敏 度，这也是本研

27、究的技术难点之一。宽带圆极化特性宽带圆极化与宽带阻抗匹配不同。宽带阻抗匹配是指天线输入端口的传输特 性，阻抗匹配越好，则带宽越大；宽带圆极化是指天线的辐射特性，天线辐射出 电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆，圆极化波的关键是产生两个方向正交、幅度相等、相位相差 90°的线极化波。然而，采用单馈 电点的天线的圆极化带宽非常窄，必须采用特殊的馈电结构，如双馈点馈电、多 馈点馈电和口径耦合馈电等方法，这也是本研究的技术难点之一。4.2 小型化高性能UHF RFID标签天线与读写器天线相似，UHF RFID标签天线也需要实现小型化和宽频带，以满 足通信系统的小型化和不同地

28、区 UHF RFID多频率标准的要求。另外，标签天线 与读写器天线不同，它需要粘贴在或者靠近被标识的物体上， 物体对标签天线的 工作频率、带宽及增益等性能产生影响，尤其是当标签标识金属物体时， 金属物 体对天线的性能影响最大35,所以要求标签天线具有抗金属特性。所以，本项 目的另一个重要任务是要实现具有小型化、宽频带、高增益、抗金属等特性的高 性能UHF RFID标签天线。拟解决的技术难点：标签芯片与小型化标签天线宽带匹配问题出于低成本、小型化和简化标签结构的需要，标签芯片与标签天线一般是直 接连接，其间没有任何匹配电路。这就要求天线的阻抗设计要与芯片阻抗共腕匹 配，以实现最大功率传输，增大U

29、HF RFID系统的识别距离和识别灵敏度。 而芯 片的阻抗与传统的50。不同，典型值一般是实部较小(20。中4。)，而虚部较大(-409-100口)的高Q复阻抗。要在标签天线小型化的情况下，匹配这样一个 高Q复阻抗，会使天线的带宽变窄，因此宽带RFID标签天线成为当前研究的热 点和难点。抗金属特性超高频波段的射频对环境比较敏感，尤其是金属，导致目前该工作频率下的 被动标签无法在具有金属表面的物体上工作，而射频识别应用最为广泛的物流行 业多为金属环境，所以标签天线必须具有抗金属特性。 目前，国内外对抗金属的 标签天线已经进行了大量研究，但是具有小型化、宽频带特性的抗金属标签天线 还很少，对于抗金

30、属特性的研究存在很大的挑战。标签天线输入阻抗准确测量标签天线一般都属于平衡馈电形式，而且其输入阻抗不是50口，所以采用常规的同轴电缆馈电和矢量网络分析仪无法准确测试标签天线的输入阻抗，所以标签天线的输入阻抗的准确测量也是一个重要难题36。由于现有技术的待测标签天线端口阻抗非50。，测试过程中待测电子标签端口不能通过同轴电缆与矢量网络分析仪直接连接。由于待测电子标签端口为平衡馈电方式，而同轴电缆为非平衡馈电方式，要精确测试待测标签天线输入阻抗参数必须借助于平衡/不平衡转换处理，即巴伦。另外，待测标签天线的端口一般工作频率下设置为复阻抗，与 同轴电缆存在阻抗失配，严重影响测试结果的准确性。所以，设

31、计一套准确测试 标签天线输入阻抗的装置也是本项目的一个研究重点和难点。参考文献：1 Klaus Finkenzeller,陈大才编译.射频识别(RFID)技术.北京：电子工业出版社， 20012 Zang Li, Chao-Hsien Chu, Wen Yao.SIP-RLTS. An RFID Location Tracking System Based on SIP.IEEE International Conference on RFID2008, pp.73-1823 Sungwoo Ahn, Bonghee Hong. Efficient Query Processing for T

32、racing RFID Tags by Reordering Location Identifiers. The 14th IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications, 2008: pp.1-804 Sergio Polito, Daniele Biondo, Antonio Iera, Massimiliano Mattei, Antonella Molinaro. Performance evaluation of active RFID locatio

33、n systems based on RF power measures. The 18th Annual IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC '07), 20075孙博.高速运动条件下的RFID天线研究：硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工 业大学 2006: pp.1-106彭玉芳.RFID技术及在国内外的应用.中国无线电，2010.3: pp.48-507张钧，刘克诚等.微带天线理论与工程M.国防工业出版社，19888 K. V. Seshagiri

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