RFID干貨專欄概述
經過20多年的努力發展,超高頻RFID技術已經成為物聯網的核心技術之一,每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中,中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國,在對物聯網發展的大力支持下,行業應用和整個生態的發展十分迅猛。然而,至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。
為了填補這方面的空缺,甘泉老師花費數年之功,撰寫的新書《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發布,本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統性的闡述,干貨滿滿!RFID世界網得到了甘泉老師授權,在RFID世界網公眾號特設專欄,陸續發布本書內容。
4.1 標簽天線設計基礎
在4.1節中介紹了標簽技術第二要素就是天線,天線技術的發展是推動超高頻RFID標簽技術進步的另一大源動力。本節就針對標簽天線的設計技術進行講解,分別從標簽設計的多個維度講解展開,最后講解幾款市場上比較流行的標簽天線。本節內容具有一定專業性,但是沒有復雜的推導,即使非天線設計人員一樣看得懂,當然對于標簽天數設計工程師有更大的學習價值。
4.4.1 標簽天線設計基礎
一直以來標簽天線設計被認為是一個非常專業的事情,許多其他行業的天線工程師看到超高頻RFID標簽天線后也會感覺迷茫無從下手。這是因為行業內缺乏相對專業的產業和培訓,許多小公司都是通過抄襲和多次嘗試的方式完成自己的天線設計,只有行業內的幾個大企業才有專業的標簽天線工程師。其實標簽天線設計并不難,只要掌握其等效模型,就能找到天線設計大門的入口了。
1.偶極子標簽構成分析
普通材質的超高頻RFID標簽天線多為偶極子天線,這是因為偶極子天線設計簡單且與標簽的尺寸要求接近。
如圖4-61所示,為一個常見的偶極子天線標簽,從天線設計角度分析,共由4部分組成,分別是標簽芯片、偶極子天線、電感線圈(LC諧振環)、耦合部分。
圖4-61標簽天線設計構成
(1)標簽芯片
通過解調標簽芯片在天線端口接收到的信號,并調制出一個信號返回到同一端口的閱讀器,與閱讀器通信。標簽芯片是“被動”的,它沒有內置電源,而是從讀取器的射頻信號中收集能量。當標簽芯片從讀取器信號采集功率時,標簽天線阻抗必須與芯片阻抗有較好的共軛匹配。
(2)偶極子天線
偶極子天線有兩個輻射臂,如圖4-62所示,從一個點向外延伸(通常在同一軸上)。偶極臂的長度和厚度決定了天線的主要特性。例如,常用的偶極子是半波偶極子,半波偶極子的電長度為所需工作頻率波長的一半。然而,偶極子阻抗值為70Ω(諧振時阻抗),與標簽芯片匹配的更佳值相差甚遠。而且其物理長度(半波偶極子在900 MHz時約為15厘米)對于大多數超高頻RFID標簽應用來說太長了。
圖4-62
對于無源RFID芯片來說,偶極子天線可以等效為一個射頻能量源(電壓源),為芯片供電。
(3)電感線圈
電感線圈有兩個主要功能,一個是與芯片的電容進行共軛匹配,另一個是將偶極子耦合的能量傳遞給芯片。電感線圈的尺寸對一個標簽天線的匹配具有決定作用。如果掌握了調節電感線圈的技巧,就可以成為一名初級的RFID天線工程師了。
(4)耦合部分
耦合部分是能量在偶極子和電感線圈之間轉移的重要部件。這部分以感應方式連接偶極子和電感線圈,類似于變壓器磁芯之間的耦合。偶極子中等效射頻電源的能量可以耦合到電感線圈內并傳遞給芯片。超高頻RFID系統就是利用偶極天線遠距離收集的能量并傳輸到標簽芯片上的。電感線圈和偶極子可以進一步分離以減少耦合,也可以拉近或共享更寬的部分以增加耦合。
2.標簽天線等效模型
為了方便工程分析,可以將偶極子標簽轉換為等效電路模型。如圖4-63所示,偶極子標簽包含的標簽芯片、偶極子天線、電感線圈、耦合部分這四部分等效為一個電壓源射頻傳輸電路:
標簽芯片內部阻抗等效為一個電容和一個電阻的并聯,分別為Cchip和Rchip,這兩個參數在芯片的說明書中可以找到。
偶極子天線等效為電壓源V、輻射電阻(Radiationresistance)Ra、偶極子電容Ca、偶極子電感La。這些參數都是偶極子天線所特有的參數,與天線的結構尺寸相關,且在不同工作頻率時表現出不同的特性。
電感線圈等效為電感L2,L2大小與電感線圈尺寸相關。
耦合部分等效為電感L1,L1的大小與電感線圈和偶極子之間的距離相關。
圖4-63偶極子標簽等效電路模型
等效電路建立后,只需要計算電壓源V供電后,在要求的工作頻率范圍內,Rchip能夠獲得的能量。這個能量越大,系統的匹配越好。電路的具體計算比較復雜,可以使用ADS軟件進行仿真。輻射電阻Ra、偶極子電容Ca、偶極子電感La、電感線圈等效電感L2、耦合部分等效電感L1這些參數的大小需要在HFSS仿真中獲得。
3.設計步驟
在標簽天線設計過程中由于標簽芯片已經確定,只需要依次完成電感線圈設計、偶極子天線設計和耦合部分設計這三部分即可。
(1)電感線圈設計
設計標簽天線的步是構造標簽芯片的電感線圈,電感線圈的主要功能之一是設置諧振以匹配芯片的電容。電感線圈的形狀可以采取任何形式,只要它完成一個閉環。設計電感線圈時不必太關注是否與芯片在工作頻率點諧振,這是因為一旦電感線圈連接到偶極子,其諧振頻率會發生改變。
電感線圈有三個設計參數:線寬、環路面積(內圈面積)和線長。使用寬的線寬可以減小電阻從而減小損耗。
電感線圈設計有兩個主要權衡點:
個是在線度和環路形狀之間。更寬的線寬可以減小歐姆損耗,但環路面積必須增大以補償減小的電感。
第二個權衡是在環路面積和形狀之間。如果形狀更接近圓形或方形,則獲得相同電感所需的面積將比狹長形狀更小。最終,形狀將很可能由標簽尺寸要求決定。對于一個長瘦標簽形狀,圓形或方形環形狀將不合適。
圖4-64中顯示了兩個不同尺寸標簽的電感線圈設計實例,分別針對方形標簽和長窄標簽。一般情況下電感線圈被放置在標簽區域的中心。
圖4-64電感線圈設計
(2)偶極子設計
偶極子天線是標簽天線中更大的部分。由于偶極子必須保持在標簽的尺寸限制之內(一般小于半波長尺寸),通常使用一些尺寸減小技術,如采用彎折手段。當偶極子采用彎折設計后可以實現預期的半波電長度,但尺寸的減小意味著增益和帶寬的減小。
偶極子同樣有一組重要參數需要折衷:線寬和線長。與電感線圈類似,更寬的線寬將減小損耗,但需要更長的長度才能達到相同的諧振頻率。此外,由于面積受限,更寬的線寬可能無法達到標簽所需的電子長度。
偶極子的設計案例如圖4-65所示。這里顯示的兩個偶極子設計幾乎完全填滿了標簽尺寸區域。如果標簽的材料具有較高的介電常數特性,則可能需要減少彎折或彎折的次數。相反,如果標簽材料的介電常數較小,則可能需要減小線寬并增加彎折度。
圖4-65偶極子設計
在這一步設計時需要了解基材的介電常數,需要與供應商聯系或在實驗室中測試得到。如果有差分網絡分析儀和測試臺,可以更好的了解該偶極子部分的特性。
(3)耦合設計
電感線圈體積小,是一種近場結構,無法在電磁波中為標簽芯片提供足夠的能量。為了使標簽芯片能夠與讀寫器通信,必須在偶極子和電感線圈之間傳輸能量。通常電感線圈的更佳位置是靠近偶極子的中心,在那里可以獲得更大的電流。一旦電感線圈與偶極子耦合,電感線圈和偶極子的諧振頻率都會發生位移,需要重新調整。
電感線圈和偶極子之間的耦合系數是一個非常關鍵的參數。電感線圈與偶極子間重疊的程度決定耦合系數,重疊越深耦合系數越大,能量傳遞的效率就越高,但與此同時偶極子的電路特性對芯片的影響越大,會導致標簽的帶寬較窄。
耦合系數決定了阻抗變換的系數,在標簽天線等效模型中,L1左側的所有電路會通過L1影響到芯片端。因此耦合的更佳值取決于標簽天線的大小和芯片阻抗。
控制耦合系數最簡單的方法是改變電感線圈和偶極子之間的間距,如圖4-66所示。距離越遠耦合系數越小,距離越近耦合系數越大。
圖4-66耦合設計
一般情況下對于窄帶的標簽采用較大的耦合系數,可以實現更好的性能(更多能量耦合到芯片內),而對于有寬帶設計要求的標簽一般采用較小的耦合系數,如標簽需要貼在多種不同介電常數的物體上,也應使用弱耦合設計,從而減小偶極子阻抗變化對芯片匹配的影響。