射频识别（RFID）系统中的电子标签天线

  
1  引言  
    现代社会产品越来越丰富，数据管理需求也越来越高，人们需要将多种多样处于生产、销售、流通过程中的物品进行标识、管理和定位。采用传统的条形码进行物品标识将会带来一系列的不便：无法进行较远距离的识别，需要人工干预、许多物品无法标识等等。相反，由于射频识别(RFID)系统采用具有穿透性的电磁波进行识别，所以可以进行较远距离的识别，无须人工干预，可以标识多种多样的物品。  

    射频识别技术是一种非接触的自动识别技术。它是由电子标签（Tag/Transponder）、读写器（Reader/Interrogator）及中间件（Middle-Ware)三部分组成的一种短距离无线通信系统。射频识别中的标签是射频识别标签芯片和标签天线的结合体。标签根据其工作模式不同而分为主动标签和被动标签。主动标签自身携带电池为其提供读写器通信所需的能量；被动标签则采用感应耦合或反向散射工作模式，即通过标签天线从读写器中发出的电磁场或者电磁波获得能量激活芯片，并调节射频识别标签芯片与标签天线的匹配程度，将储存在标签芯片中的信息反馈给读写器。因此，射频识别标签天线的阻抗必须与标签芯片的输入阻抗共轭匹配，以使得标签芯片能够最大限度地获得射频识别读写器所发出的电磁能量。此外，标签天线设计时还必须考虑电子标签所应用的场合，如应用在金属物体表面的标签天线和应用在普通物体表面的标签天线在天线的结构和选材上存有很大的差别。适合于多种芯片、低成本、多用途的标签天线是射频识别在我国得到广泛普及的关键技术之一。  

2 射频识别系统与天线的分类  

    对于采用被动式标签的射频识别系统而言，根据工作频段的不同具有两种工作模式。一种是感应耦合（Inductive Coupling）工作模式,这种模式也称为近场工作模式，它主要适用用于低频和高频RFID系统；另一种则是反向散射（Back scattering）工作模式，这种模式也称为远场工作模式，主要适用于超高频和微波RFID系统。 

    感应耦合模式主要是指读写器天线和标签天线都采用线圈形式。当读写器在阅读标签时，发出未经调制的信号，处于读写器天线近场的电子标签天线接收到该信号并激活标签芯片之后，由标签芯片根据内部存储的全球唯一的识别号（ID）控制标签天线中的电流大小。这个电流的大小进一步增强或者减小阅读器天线发出的磁场。这时，读写器的近场分量展现出被调制的特性，读写器内部电路检测到这个由于标签而产生的调制量并解调并得到标签信息。  

    在反向散射工作模式中，读写器和电子标签之间采用电磁波来进行信息的传输。当读写器对标签进行阅读识别时，首先发出未经调制的电磁波，此时位于远场的电子标签天线接收到电磁波信号并在天线上产生感应电压，电子标签内部电路将这个感应电压进行整流并放大用于激活标签芯片。当标签芯片激活之后，用自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行变化，当电子标签芯片的阻抗和标签芯片之间的阻抗匹配较好时则基本不反射信号，而阻抗匹配不好时则将几乎全部反射信号，这样反射信号就出现了振幅的变化，这种情况类似于对反射信号进行幅度调制处理。读写器通过接收到经过调制的反射信号判断该电子标签的标识号并进行识别。这类天线主要包括微带天线、平面偶极子天线和环形天线。
  
3 电子标签天线的设计与测试  

    如前所述，由于工作于低频与高频的射频识别系统采用感应耦合模式进行通信，所以工作于这两个频段的读写器与电子标签都采用线圈形式的天线。工作在这两个频段的射频识别系统都受制于近场作用的范围，从而导致其识别距离较短。根据目前的情况来看，采用近场通信的射频识别系统最大的识别距离小于1米。  

   由于低频和高频频段的射频识别系统采用的是电磁场耦合模式，所以系统中的天线都采用线圈形式。采用这种形式的主要原因如下：1. 电磁场的耦合在线圈之间比较紧密；2. 天线采用线圈的形式进一步减小了天线的体积进而减小了标签的体积；3. 标签芯片的特性要求标签天线具有一定的电抗。  

    在超高频和微波波段时，电子标签和读写器之间的通信采用反向散射工作方式。这时候，连接电子标签和读写器之间的桥梁不再是近磁场而是电磁波。此时，被动型电子标签处于读写器的电磁波远场中。根据频带的波长和天线的口径可以计算出该频带内射频识别系统的远场和读写器之间的距离。一般来说，被动性标签在超高频范围内的工作距离可达10米左右，根据现有资料来看，工作于微波波段（主要指2.45GHz）的被动标签工作距离仅为1米左右。所以目前采用反向散射工作模式的射频识别系统主要使用位于860～960 MHz的超高频频段。  

    在由被动型标签天线组成的射频识别系统中，标签需要从读写器产生的电磁场或者电磁波中获取能量激活标签芯片，所以在电子标签中有一部分电路专门用于检测标签天线上的感生电动势或者感应电压，并通过二极管电路进行整流并经过其他电路进行电压放大等等。这些电路被集成在标签芯片内部。当芯片进行封装时通常还会引入一部分分布式电容。但是，天线设计本身并不需要知道芯片中的具体电路而只需要掌握芯片和经过封装之后的芯片阻抗，并利用最大能量传递的法则设计天线的输入阻抗。  

    由于电子标签芯片的输出阻抗具有电抗分量，为了达到能量的最大传递，需要将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭[1]。一般而言，电子标签芯片的输入阻抗为Z=R-jX形式，为了获得共轭形式的阻抗，电子标签天线的阻抗应为Z=R+jX形式。  

    如前文所述，工作在低频与高频的射频识别系统中的被动标签天线采用了线圈形式，这种线圈形式即可引入感抗用于抵消等效电路中的容抗从而实现标签芯片和天线之间的最大能量传递。  

    而对于工作于超高频和微波频段的标签天线而言，为了引入感抗以抵消芯片的容抗，需要在天线设计中加入环形结构进行感性馈电[2],或者加入T型匹配[3]等结构。另外，为了在规定的等效全向辐射功率（EIRP）下获得更远的阅读距离，除了要求电子标签天线也具有高增益，还要求电子标签天线和标签芯片之间能够有足够好的匹配[4]。  

   在标签天线进行设计和仿真并获得理想结果之后，需要将天线加工并进行测试以验证设计和仿真的正确性。也正因为前文中所介绍的标签天线具有复数阻抗的特性，其测试方法和具有实数阻抗天线的测试方法有所区别。另外，在同一个标签天线的测试过程中，根据所需数据的不同其测试方法也有所不同。  

    通常，测试天线的过程中并不需要专门测试天线的输入阻抗。但标签天线的阻抗为负数阻抗，且其虚部与实部之比较大（通常X/R>10），这样的阻抗曲线在smith圆图中靠近短路圆，不易通过smith圆图观察天线的阻抗带宽。为了获得标签天线的输入阻抗，可以将测试设备的输出端口直接与天线的输入端口相连。由于这种方式并未考虑标签天线本身具有复数阻抗这一特性，天线和测试设备之间并没有取得共轭匹配，此时只能得到天线的阻抗参数，诸如散射矩阵参数和驻波比等常用来衡量天线的电路参数不能直接获得。  

    为了获得是散射参数和驻波比等电路参数，以便对天线的阻抗带宽特性进行评价，可将实测的阻抗参数带入相关公式进行计算或者采用阻抗匹配的方法在测试设备和天线之间加入匹配电路。匹配电路可用两种方法构成，一是采用工作频率较高的分立元件构成，二是采用微波电路构成。需要注意的是匹配电路应该距离天线端口足够近，这样才能获得较大的带宽并避免天线和匹配电路之间的连接线路带来的负面影响。在文献[5]中研究了使用可调阻抗匹配电路用于标签天线的测试。不过采用匹配电路具有一些缺点：1. 不论使用分立元件还是使用微波电路来构成阻抗匹配电路，其带宽总是受限的，当天线真实带宽大于匹配电路的带宽时，所测试到的带宽将不再准确；2. 由于匹配电路总是存在损耗，所以测试得到的带宽和回波损耗值等参数和真实的天线参数有一些差别；3. 引入的匹配电路总是和天线之间存在距离，从而使得测试出现一定误差。
    采用上述使用匹配电路进行测试的方案除了可以获得一定精度的带宽和回波损耗等参数之外，对于测试天线的方向图和增益等辐射特性也是必须的。只有通过阻抗匹配电路才能将天线接收到的绝大部分能量基本无反射地传递到测试系统中，从而测试出相应的辐射参数。