RFID技术原理及射频天线的设计

近年来人们开始开发应用非接触式IC卡来逐步替代接触式IC卡,其中射频识别(RFID,radiofrequencyidentification)卡就是一种典型的非接触式IC卡，然而,RFID在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换的.
　　
自1970年第一张IC卡问世起,IC卡成为当时微电子技术市场增长最快的产品之一,到1996年全世界发售IC卡就有7亿多张.但是,这种以接触式使用的IC卡有其自身不可避免的缺点,即接触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC卡的使用寿命和使用范围.近年来人们开始开发应用非接触式IC卡来逐步替代接触式IC卡,其中射频识别(RFID,radiofrequencyidentification)卡就是一种典型的非接触式IC卡,

它是利用无线通信技术来实现系统与IC卡之间数据交换的,显示出比一般接触式IC卡使用更便利的优点,已被广泛应用于制作电子标签或身份识别卡.然而,RFID在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换的.这里我们将首先通过介绍RFID应用系统的基本工作原理来具体说明射频天线的设计是RFID不同应用系统的关键,然后分别介绍几种典型的RFID天线及其设计原理,最后介绍利用AnsoftHFSS工具来设计了一种全向的RFID天线.
　　
RFID技术原理
　　
通常情况下,RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的,如图1所示.其中,读写器一般作为计算机终端,用来实现对RFID卡的数据读写和存储,它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成.而RFID卡则是一种无源的应答器,主要是由一块集成电路(IC)芯片及其外接天线组成,其中RFID芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路,有的甚至将天线一起集成在同一芯片上.


图1　射频识别系统原理图

RFID应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后,由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理;所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路,最后通过天线发回给读写器.可见,RFID卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线.一方面,无源的RFID卡芯片要启动电路工作需要通过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RFID卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式.
　　
目前RFID已经得到了广泛应用,且有国际标准:ISO10536,ISO14443,ISO15693,ISO18000等几种.这些标准除规定了通讯数据帧协议外,还着重对工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格进行了规范.RFID应用系统的标准制定决定了RFID天线的选择,下面将分别介绍已广泛应用的各种类型的RFID天线及其性能.