近年來人們開始開發應用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別( RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡，然而,RFID 在不同的應用環境中需要采用不同天線通訊技術來實現數據交換的.

　　自1970 年第一張IC 卡問世起, IC 卡成為當時微電子技術市場增長最快的產品之一,到1996 年全世界發售IC 卡就有7 億多張 . 但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點,即接觸點對腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍. 近年來人們開始開發應用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術來實現系統與IC 卡之間數據交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優點,已被廣泛應用于制作電子標簽或身份識別卡. 然而,RFID 在不同的應用環境中需要采用不同天線通訊技術來實現數據交換的. 這里我們將首先通過介紹RFID 應用系?
統的基本工作原理來具體說明射頻天線的設計是RFID 不同應用系統的關鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線及其設計原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來設計了一種全向的RFID 天線.

　　1 　RFID 技術原理

　　通常情況下, RFID 的應用系統主要由讀寫器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示. 其中,讀寫器一般作為計算機終端,用來實現對RFID 卡的數據讀寫和存儲,它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而RFID 卡則是一種無源的應答器,主要是由一塊集成電路( IC) 芯片及其外接天線組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 ,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上 .

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　　圖1 　射頻識別系統原理圖

　　RFID 應用系統的基本工作原理是RFID 卡進入讀寫器的射頻場后,由其天線獲得的感應電流經升壓電路作為芯片的電源,同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信息處理;所需回復的信息則從存儲器中獲取經由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發回給讀寫器. 可見,RFID 卡與讀寫器實現數據通訊過程中起關鍵的作用是天線. 一方面,無源的RFID 卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產生的電磁場中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.

　　目前RFID 已經得到了廣泛應用,且有國際標準:ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種. 這些標準除規定了通訊數據幀協議外,還著重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關的技術規格進行了規范. RFID 應用系統的標準制定決定了RFID天線的選擇,下面將分別介紹已廣泛應用的各種類型的RFID 天線及其性能.

　　2 　RFID 天線類型

　　RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線. 其中,小于1 m 的近距離應用系統的RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻段. 而1 m 以上遠距離的應用系統需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線,它們工作在高頻及微波頻段. 這幾種類型天線的工作原理是不相同的.

　　2.1 　線圈天線

　　當RFID 的線圈天線進入讀寫器產生的交變磁場中,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器,兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈. 由RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線的線圈電感L 、寄生電容Cp和并聯電容C2′,其諧振頻率為:

　　, (式中C 為Cp 和C2′的并聯等效電容) . RFID 應用系統就是通過這一頻率載波實現雙向數據通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm) ,天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz. 目前已研發出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線圈天線的短距離RFID 應用系統.

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　　圖2 　應答器等效電路圖

　　某些應用要求RFID 天線線圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動物識別的RFID. 線圈外形即面積小的話,RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實際使用. 通常在RFID 的天線線圈內部插入具有高導磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補償線圈橫截面減小的問題.

　　2.2 　微帶貼片天線

　　微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質基片上的輻射貼片導體所構成的 ,如圖3 所示. 根據天線輻射特性的需要,可以設計貼片導體為各種形狀. 通常貼片天線的輻射導體與金屬地板距離為幾十分之一波長,假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化,僅沿約為半波長(λg/ 2) 的導體長度方向變化. 則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開路邊沿的邊緣場引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應用系統中. 為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻[5,6]設計了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線和5.9 GHz 的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻[7,8]開發了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對二進制數據中的‘1’和‘0’進行編碼.

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　　圖3 　微帶天線