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超高频电子标签天线设计及应用

发布时间:2022年01月21日 来源:中国自动识别网 作者:赵俊江 任慧颖

无线射频识别技术(RFID)的应用已经越来越多,根据国际标准对不同频段电子标签的使用要求,在诸多行业和领域,电子标签的作用正逐步得到人们的认可和肯定。尽管如此,由于无线射频识别的信息交互是靠电磁波来传递完成的,因此电子标签的应用又存在着某些局限性。比如在一些金属性物品或者包装产品上面,金属对电磁波有屏蔽性和反射作用,会影响电子标签的正常工作。而从市场需求来看,超高频类电子标签应用面广,数量较多。探讨超高频电子标签工作原理,结合具体应用需求进行研究,以推动电子标签行业的发展。
通俗地讲,超高频射频识别的工作方式与雷达原理一样,是由读写器按照一定的指令发送电磁波信号,电子标签接收到电磁波信号并被激活,电子标签再根据指令要求,以电磁波的形式返回信号;读写器接收到电子标签返回的信号后,完成射频识别的过程。
 
超高频有效识别距离
根据超高频工作原理,一个有效的超高频射频识别系统,不仅读写器发送的电磁波被电子标签接收到,而且需要电子标签返回的电磁波也能被读写器接收到,这是一个双向的电磁波链路。这个双向链路决定着超高频有效识别距离。
正向链路
正向链路即正向感应距离,如图1所示,读写器将发射功率为Pt的能量馈送给具有增益为Gt的发射天线,在距离R处有一接收天线,此接收天线的增益为Gr,并设电子标签接收天线而接收到的功率为Pr。
图1  正向感应示意图
 
标签的工作距离R (正向距离),是指从读写器发送电磁波,能激活RFID电子标签的工作距离,这个工作距离R遵循Friis弗林斯方程式
根据Friis自由空间传输公式可知,在任意给定Pt、Gt、Pr、Gr、 R五个量中的任意四个量之后,剩余的一个量必定可求。若标签芯片的开启功率阈值为Pth,最大可读距离(阻抗匹配的时候传输系数τ=1)。
反向链路
反向链路即反向感应距离。正如前面提到的Friis方程及总结的公式是针对正向距离的,如图2所示,表示标签可听到阅读器“说的话”,但不能说明阅读器能听到标签“说的话”从而完成对标签的识别工作。
图2  正向链路示意图
 
我们在此提出一个概念——反向链路。其实任何一个无源系统都是由两部分链路组成的,一部分是读写器发给标签的命令标签“听到”了,另一部分是标签返回一个命令让读写器“听到”,这个链路就算完成了,也就是我们常说的读到标签了。那么反向链路也就是读写器听到的能量,如图3所示。
图3  反向链路示意图
 
反向链路明确地表示出了读写器也要听到标签“说的话”。由于标签是一个无源设备,返回的能量非常小,这对读写器的灵敏度提出了很高的要求。例如,正向功率受限和反向读写器灵敏度受限有效识别距离的情况。
正向受限标签灵敏度-10dBm读写器灵敏度-80dBm(两条蓝线),正向能量和反向能量随距离的变化曲线(红线和黑线),如图4-1所示,可以看到标签可以工作6m的距离,读写器可以工作12m的距离,取最小一个,其工作距离是6m,由正向距离决定。而标签的灵敏度则是-10dBm,读写器灵敏度-30dBm。那么正向距离3m,反向距离1.5m,其工作距离为1.5m,是由反向距离决定的(读写器灵敏度),如图4-2所示。
 图4-1  读写器功率受限示意图   
 
图4-2  标签灵敏度受限示意图 
 
通过上述分析,能够比较容易理解超高频电子标签有效识别距离的影响因素。当读写器灵敏度足够好的时候,有效识别距离取决于正向链路距离;当读写器灵敏度不好时,有效识别距离取决于反向链路距离。
 
天线几何面积对识别距离的影响
利用戴维宁定理,通过等效电路法推导出的天线增益G与有效面积Ae之间的关系为:,其中,[Ae=A0eA],A0为天线在与其最大方向相垂直的横截面上的几何面积,eA称为天线效率,得到
在天线效率eA、波长[λ]一定的情况下,天线增益G与天线的几何面积A0成正比关系。因此,天线几何面积A0的增加可以有效提高天线的增益G。
又根据Friis自由空间传输公式,在五个变量中的任意四个确定之后,剩余的一个量必定可求。式中随着天线增益Gr的增加,识别距离R一定会增加。
 
有效辐射功率对识别距离的影响
通常天线是无源可逆器件,天线既可以用来发射电磁波,也可以用来接收电磁波。当天线用于接收时,该天线能从来波中获取多大的功率。天线最大可接收功率(实功率)PRM与来波的实功率流密度 Si是成正比的:PRM=AeSi。
比例系数Ae具有面积的量纲,因而称为有效面积。这样,如一只天线有效面积Ae,便可方便地根据来波的功率密度Si求得天线的接收功率。
当天线用于发射时,天线能形成的有效辐射功率有多大。根据有效辐射功率定义,有效辐射功率为天线增益G和输入功率P的乘积。
基于上述分析,在研究读写器与标签天线的有效辐射功率对识别距离的影响方面,我们认为在读写器性能确定的条件下,研究不同标签的有效辐射功率对识别距离的影响更有实际意义。
在读写器性能一定的情况下,根据Friis自由空间传输公式,标签的有效辐射功率与识别距离之间存在的关系,见表1。
而标签有效识别距离的远近,是取决于正向距离还是反向距离,还需要参考图4-1/4-2中的分析方法具体根据读写器及标签各自的灵敏度大小进行确定。
 
超高频识别设计的应用研究
该超高频识别设计主要是指电子标签天线的设计。而电子标签天线的设计除了计算方向特性、方向性系数、天线效率、天线增益、阻抗匹配等因素外,其他考虑的因素就是管理对象和应用环境。
立足管理对象和应用场景的原则  虽然每个设计成功的超高频标签都有着优秀的性能表现,但由于超高频电子标签应用面很广泛,管理的对象和应用环境较多,所以一种形式的标签设计无法满足各种应用需求。例如,在一些液体产品管理项目中,虽然普通的超高频电子标签在空气介质中读取性能表现不错,一旦用于液体产品管理中,靠近液体后,由于液体对电磁波的吸收,影响到电磁波的方向性,导致读取距离显著变短,甚至无法读取。在设计这种抗液体标签天线时,需要按照线极化的方式设计天线的形状,减少液体对电磁波的吸收影响,利用线极化的方向性强的特点满足读取要求。
再如,在一些金属物品的管理中,应用的超高频电子标签的天线设计就完全不同于普通的非金属物品管理使用的电子标签天线形式。比较常见的是微带结构设计,天线包括辐射贴片、1/4波长阻抗转换器、接地贴片、50Ω微带线、馈电线等。这些抗金属标签贴到金属表面后,不仅没有影响标签读取,反而将金属面作为电磁波的反射面,增强了电磁波的方向性,提高了读取性能。
理论设计从属实际测试的原则  HFSS天线设计软件已经成为超高频天线设计的主要计算机辅助工具。在明确具体项目和应用环境条件后,设置求解类型、创建天线结构模型、边界条件、激励方式、设置求解参数、运行求解分析、查看求解结果,优化设计方案。基于HFSS设计出的天线需要进行实际测试,如果测试指标与需求有偏差,需要工程技术人员根据设计经验对天线结构和尺寸进行修正和再优化,直到满足实际的应用要求。
标签天线设计融合产品包装的原则  智能包装是一类具有基础包装功能,又通过一维条码、二维码、RFID、隐形水印、数字水印、点阵等技术,能够感知、监控、记录、调整产品所处环境的相关信息及功能的包装产品总称。其中,基于RFID无线射频识别技术的智能包装具有非接触、远距离、多目标、快速识别等特点,受到越来越多行业领域的高度认可。但是在形形色色的包装材料中,有些带有金属成分的包装产品,对RFID的应用带来不小的挑战。实践中将包装材料中金属成分与标签天线的设计结合起来,把电子标签的生产有机地融合到产品包装的制作中,既解决了RFID受金属屏蔽的技术难题,又将RFID与包装产品融为有机整体。随着中国制造2025概念的到来,各行各业包装也逐渐走向高端化、智能化。因此,发展智能包装必然成为包装产品的主流趋势。
超高频射频识别是一个读写器与电子标签之间复杂的信息交互过程,影响射频识别的因素有很多,特别是在实际应用场景下,情况更复杂。只有把理论研究与实践探讨结合起来,扬长避短,才能发现电子标签的更多用途,让射频识别技术发挥出更大的作用和价值。
赵俊江 任慧颖
(作者单位:山东泰宝信息科技集团有限公司)
《中国自动识别技术》2021年第6期总第93期
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