可用于金属表面上的平面型RFID标签天线设计Word格式.docx
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第一章绪论
一.3RFID研究背景
自动识别技术主要是要提供关于人、货物、商品等的信息，过去的几十年中条形码识别技术得到了广泛的应用，条形码识别技术的最大优点是便宜、简单，它的不足之处在于它的信息存储量小，通信距离短，并且信息无法改写，因此它在一些信息需求大以及通信距离稍大（大于0.5m）应用场合已不再胜任。
相对于传统的条形码，RFID具有以下几个方面的优势：
不需要光源，甚至可以透过外部材料读取数据；
使用寿命长，能在恶劣环境下工作；
能够轻易嵌入或附着在不同形状、类型的产品上；
读取距离更远；
可以写入及存取数据，写入时间相比打印条形码更少；
标签的内容可以动态改变；
能够同时处理多个标签；
标签的数据存取有密码保护，安全性更高；
可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位；
不需直接可视也不需要特定的方向就可以识别多个标签；
利用网络做到共享信息、增加可视性。
RFID技术起源于第二次世界大战并已经发展五十多年了。
近年来，由于这种技术成本的急剧下降以及功能的提升，使得零售业、服务业、制造业、物流业、信息产业、医疗和国防领域对RFID技术的关注迅速升温。
基本的RFID系统由RFID标签、RFID阅读器及应用支撑软件等三部分组成。
一个完整的RFID系统还需要物体名称服务（ObjectNameService）系统和物理标记语言（PhysicalMark-upLanguage）两个关键部分。
用户可以根据工作距离、工作频率、工作环境要求、天线极性、寿命周期、大小及形状、抗干扰能力、安全性和价格等因素选择适合自己应用的RFID系统。
RFID所带来的不仅仅是生活和工作上的便利，它还意味着一种更为安全、高效、及时的数据采集方式，而人们的生存环境也会随之发生根本性的变革。
每个奇迹般的细节，都在瞬间真真切切地发生。
2008年，来自世界各地的朋友来到北京观看奥运会之余，进入超市、专卖店、大型商场购物结算时，再也不用等着交钱、刷卡而耗费大量时间，收款台上的电脑可以立刻将购买货物的数量、价格等逐一结清。
这就是基于RFID技术的“未来购物场所”，它改变了人类沿用了上千年的人为结算方式，把虚拟世界的购物方式带到了现实生活中。
很显然，RFID所带来的不仅仅是生活和工作上的便利，它还意味着一种更为安全、高效、及时的数据采集方式。
同样，在我们的日常生活中，RFID也将无处不在，行驶在世界各地的沃尔玛运货车上，通信的3G终端产品中，图书馆的图书里，奥运会的门票上，甚至在宠物的项圈上。
RFID技术正在慢慢改变着物品识别的方式。
根据市场研究机构In～Star的一份报告，预计到2009年，全球RFID标签市场将从2004年的3亿美元增长至28亿美元，而这一数字将在2016年攀升至262.3亿美元。
随着各个领域不同应用的进一步深入，RFID市场将创造出巨大的商业价值。
一.3.1RFID技术发展历史
RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空中作战行动中进行敌我识别。
从历史上看，RFID技术的发展基本可按10年期划分为几个阶段（参见）。
因此RFID并不是一个崭新的技术。
从分类上看，13.56MHz以下的RFID技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术，特别是860MHz～960MHz（UHF频段）的远距离RFID技术发展最快；
而2.45GHz和5.8GHz频段由于产品拥挤，易受干扰，技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索阶段。
表1-1RFID技术发展的历程表
时间
RFID技术发展
1941—1950年
雷达的改进和应用催生了RFID技术。
1948年奠定了RFID技术的理论基础。
1951—1960年
早期RFID技术的探索阶段。
主要处于实验室研究。
1961—1970年
RFID技术的理论得到了发展。
开始了一些应用尝试。
1971—1980年
RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。
出现了一些最早的RFID应用。
1981—1990年
RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现。
1991—2000年
RFID技术标准化问题日趋得到重视．RFID产品得到广泛采用。
2001至今
标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展。
电子标签成本不断降低。
一.3.2RFID应用领域
RFID技术在国民经济的各个领域具有广泛的用途。
在安全防护领域，RFID技术可以用于门禁保安、汽车防盗、电子物品监控；
在商品生产销售领域，RFID技术可以用于生产线自动化、仓储管理、产品防伪、收费。
在管理与数据统计领域。
RFID技术可以用于畜牧管理、运动计时；
在交通运输领域，RFID技术可以用于高速公路自动收费及交通管理、火车和货运集装箱的识别等。
物流业广泛使用RFID技术，可实现产品的生产、存储、运输、销售整个供应链过程的智能化。
在生产制造环节应用RFID技术。
可以完成自动化生产线运作，实现在整个生产线上对原材料、零部件、半成品和产成品的识别与跟踪，减少人工识别成本和出错率，提高效率和效益。
将RFID技术应用于库存管理，企业能够实时掌握商品的库存信息，从中了解每种商品的需求模式及时进行补货，从而提高库存管理能力，降低库存水平。
在运输环节。
运用RFID技术结合GPS和GIS，可实现运程的优化。
RFID技术的使用，可使得企业有效整合业务流程，提高市场应变能力，为客户提供更多的个性化服务，从而提高客服水平。
当前，食品安全作为关系到国计民生的全球性问题，日益受到关注。
建立完善的食品安全溯源系统是食品安全体系建设的关键内容。
采用RFID技术，可以应用电子标签来记载食品生产和流通的全过程，实行食品的安全溯源。
如对肉类食品，可通过电子标签在养殖场中对每个动物建立电子身份，记录每个动物的兽医史，并将所有信息存入计算机系统，直到它们被屠宰。
然后，所有数据被存储在出售肉类食品的RFID标签中，随食品一起送到下游的销售环节。
这样，人们在购买时就能清楚地知道食品的来源、中间处理的过程，追查到其历史与来源，并能一直追踪到具体的养殖场和动物个体，实现食品的安全溯源。
尽管RFID技术用途非常广泛，但供应链与物流管理才是RFID技术最大的舞台。
无论是物流系统集成商。
还是物流设备生产商、物流软件供应商以及自动识别技术与设备供应商都把RFID技术的应用作为当前研发的重点。
进入21世纪，物流的概念已经远远超出了它原有的内涵和外延。
供应链和物流服务是以制造业和零售业企业为对象，以企业间战略关系整合和高效的物料移动储存系统为载体，核心目的是降低企业运作成本，提高企业的竞争力。
凭借中国物流行业的发展需求，信息技术的飞速成长，以及最大化的提高效率、降低成本、减少环节的物流平台打造的设想，以“RFID应用”为突破口，“移动物流通”无疑为物流企业的前进指明了一条光明之路。
在现代物流企业中，如何有效地将物流、资金流、现金流进行三流合一，在顺畅的信息流基础上实现货物和运输工具精确、及时、安全高效的流动，从而降低物流成本，提高管理水平和服务水平是各家企业追求的目标。
目前物流行业在条码扫描的作业环境中，主要采用数据采集器（盘点机或巴枪），如美国沃尔玛、澳洲Woolworth、新西兰Pak&
Save、Warehouse等大型超市和卖场的货品盘点，采用的品牌多为Symbol、CASIO、Denso、Intermec、Unitech等设备提供商。
中国的条码扫描应用也正在如火如荼地展开，近日，从国内某快递企业耗资2亿元采购三万部扫描终端的举措我们可以看出，条码扫描终端对于物流行业的重要性。
现在，“移动物流通”的产生和应用或许能够为我们打造高效科学的物流平台、解决现存问题提供一个满意的答案。
由于手机是实现语音和短信的重要工具，在很多快递企业的系统应用中，业务人员采用手机短信SMS方式完成调度通知和反馈的工作，同时使用巴枪（数据采集器）来完成货件揽收及检查点反馈的工作。
外勤人员在揽收和派件时，需同时携带巴枪和手机完成作业，这不仅大大降低了外勤人员的操作效率，也增加了物流快递企业的投资和时间成本。
因此，结合巴枪及手机的特点，在物流行业推出数据采集解决方案将成为未来的运用趋势。
基于GPS/GIS技术和GSM无线通信技术，移动“物流通”是集全球卫星定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、无线通信（GSM）、动位置服务（MPS），以及车辆安全、货物防盗、人员调度等技术于一体的软、硬件综合管理系统，实现对物流配送人员及物流车辆和物流货物的跟踪、调度、监督、历史记录查询、报警等多种用途。
在移动物流通的辅助下，企业在核心层面可以实现高效、科学、及时的物流平台的打造。
研究发现，在财务方面，移动物流通降低通信设备投资TCO20—30％，同时收入提高了近10％；
在作业层面，移动物流通的应用，让企业作业效率显著提高，大大增强了内部监控力度，提高了用户满意度；
在竞争力方面，使用移动物流通让信息反馈效率优于同业竞争者，提升了客户满意度，品牌价值也提升了近10％。
一.3.3RFID技术的优势
RFID技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术。
它是通过磁场或电磁场，利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据，可识别高速运动物体并可同时识别多个目标。
与传统识别方式相比，RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，操作方便快捷。
能广泛用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域，被认为在某些领域是条码标签的替代品。
它的优势及特点主要表现在：
1.快速扫描条码扫描器一次只能扫描一个条码，而RFID阅读器则可同时辨识读取数个RFID标签。
2.体积小型化、形状多样化。
RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。
此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，从而应用于各类产品。
3.抗污染能力和耐久性传统条码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID标签对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。
此外，由于条码是附于塑料袋或外包装纸箱上，特别容易受到折损；
而RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。
4.可重复使用。
现今的条码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除。
作为载体的RFID卷标内储存的数据可以很方便的进行更新操作。
5.穿透性和无屏障阅读。
在被覆盖的情况下，RFID能穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信。
而条码扫描器必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可辨读条码。
6.数据的记忆容量大。
一维条码的容量是50Bytes，二维条码最大的容量可储存2至3000字符，RFID最大的容量则有数Megabytes。
随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。
未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。
7.安全性。
RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。
近年来，RFID因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。
它可以帮助企业大幅提高货物、信息管理的效率；
可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。
在统一的标准平台上，RFID标签在整条供应链内任何时候都可提供产品的流向信息，让每个产品信息有了共同的沟通语言。
通过计算机互联网就能实现物品的自动识别和信息交换与共享，进而实现对物品的透明化管理，就能实现真正意义上的“物联网”。
一.4RFID系统组成及工作原理
射频识别技术（RFID）作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础。
其原理是利用射频信号及其空间藕合、传输特性，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别。
射频识别系统主要由两部分组成，电子标签和阅读器（图1-1）。
电子标签附着在待识别的物品上，阅读器用于当带有标签的物品通过其读取范围时，自动以非接触方式将标签中的约定识别信息读出，从而实现自动识别物品或收集物品标识信息的功能，电子标签是射频系统真正的数据载体。
图1-1RFID工作原理图
目前，RFID电子标签工作主要集中在LF、HF、UHF和微波频段。
射频识别系统中，无线信号（能量）的传输方式主要有两种：
近场的磁感应耦合方式（如图1-2所示），这种方式主要应用在中短波频率，此时的天线主要为磁感应线圈。
在本文中我们不作研究。
图1-2近场的磁感应耦合方式
远场的电磁波传播方式（如图1-3所示），在微波频段工作的射频识别系统均是通过这种方式工作。
本文将主要研究微波频段工作在无源方式的RFID标签天线技术。
图1-3远场的电磁传播方式
场区的划分主要跟天线的尺寸和工作频率有关，微波频段工作在无源方式的RFID标签天线在远场区。
射频识别系统中基带的编码方式通常有以下几种：
反向不归零（NRZ）编码、满切斯特（Manchester）编码、单极归零（UmpolarRZ）码、差动双相（DBP）编码、米勒码等。
射频识别系统中调制方法主要有：
振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）、相移键控（PSK）三种数字调制方式。
在无源标签技术中，这些数字调制方式的实现与标签天线的雷达散射截面有一定的关系。
一.4.1UHF以及微波频段阅读器工作原理
对于UHF频段的RFID系统，阅读器的性能要求是十分苛刻的。
从工作原理上来讲，阅读器根据系统的需要，通过天线向空间发送一定频率的载波，并根据协议规定，在载波上附加调制信号传送到进入有效阅读区域内的应答器内，应答器根据需要，通过反向发射方式向阅读器返回信号完成通讯。
由于超高频RFID系统要求实现远距离读写，而应答器又是无源芯片，只能反射能量，这就要求读写器具有很高的接受灵敏度，一般要能接收-90dBm的信号。
接收和发射分两路进行，中间依靠环形器隔离，事实上，环形器的隔离度十分重要，在一定程度上决定了系统的整体性能。
下行信号通过天线接收进来，通过混频器与本地振荡器进行混频，得到的中频信号经过VGA（可控增益放大器）和ADC（模拟数字转换器）变换到基带部分可以处理的数字信号，而基带部分一般是用DSP实现的。
上行信号由基带产生，经由DAC（数字模拟转换器）得到低频模拟信号，调制到高频信号后再由功率放大器输出至天线，完成发射。
该电路结构同一般的射频收发系统没有本质上的区别，只是在设计指标上对于动态范围的要求和线性度的要求比较苛刻，因此无论是功耗还是成本都要高于HF频段的设备。
一.4.2UHF以及微波频段应答器（电子标签）工作原理
工作在UHF或者更高频段的被动式应答器利用的是与LF、HF相同的调制原理，同样也是从读写器获得能量和信息。
所不同的是，它们的能量转移方式即应答器获得能量的方式不同。
在UHF这种工作模式下，就没有利用类似于HF频段电感耦合的可能性，因为应答器天线已经不在近场的作用范围内了。
远区场中这种电磁波的传输是基于电波传输理论的。
当电磁波遇到应答器的天线时，一部分能量被应答器吸收用来对内部芯片进行供电，另一部分能量通过电磁反向散射的方式被反射回读写器。
在远场情形中，应答器天线一般为偶极子天线，理论计算表明，为了达到最大的能量传输效率，偶极子的长度必须等于
，在UHF（915MHz）频段大约为16cm。
在实际中，一般偶极子天线是由两个对称长度的天线构成的。
如果背离这一尺寸就将会对性能产生巨大的影响。
与UHF和微波频段系统不同，LF、HF系统的射频场不会被水和人体生物组织等吸收，因为它的鲁棒性更强，水和潮湿空气等对其的影响可以忽略。
电磁反向散射耦合这种方式，现在还存在很多问题需要解决。
所以它的应用远不如HF中的电感耦合那么广。
对于UHF频段，从读写器发出的读写信号，不仅仅会被应答器天线反射，而且还会被任意波长和波长满足一定尺寸关系的物体反射。
这些反射信号，会减弱甚至抵消远场的电磁信号。
第二章天线介绍
二.3天线基本概念
天线是一个接收和发射微波功率的器件，它本质是一种换能器，提供了传输系统的导行波到自由空间辐射波的转换。
由于天线是处在电路和自由空间的接口界面上，因此它既具有电路的特性，又具有辐射特性。
从电路的观点，天线可以看作一个单端口的网络，在各个频率上它显示出单端口网络的阻抗特性。
天线的基本指标介绍如下：
1．a.发射天线方向性系数，方向性系数是表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力的量，定义为在相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度
，与平均辐射强度
之比，即：
（2-1）
b.接收天线的方向性系数对接收天线而言，方向性系数是表征天线从空间接收电磁能量的能力，定义为在相同柬波场强的隋况下，该天线在某方向接收时向负载输出的功率与点源天线在同方向接收时向负载输出的功率之比，即：
（2-2）
方向性系数通常用分贝表示，有时又称方向增益。
2．方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线的能量转换效率。
为了更完整地描述天线的性能，改用天线输入功率为基点束定义天线增益，即在输入功率相同的条件下，天线在空间某方向某点产生的场强平方与点源天线在同方向同点产生场强平方的比值，于是天线的增益为：
（2-3）
式中，
为被测天线距离R处所接收到的功率密度，单位为W/m2；
为全向性天线距离R处所接收到的功率密度，单位为W/m2。
增益为G的天线距离R处的功率密度应为接收功率密度，即
（2-4）
3．a.天线输入阻抗
定义为
（2-5）
式中，U为在馈入点上的射频电压；
I为在馈入点上的射频电流。
当输入电压与输入电流同相时，输入阻抗呈纯阻性。
一般情况下，输入阻抗具有电阻和电抗两个部分：
（2-6）
接到发射机或接收机的天线，其输入阻抗则等效为发射机或接收机的负载，输入阻抗的大小表征了天线与发射机或者接收机匹配的情况，表征了导行波和辐射波能量转换的好坏，所以输入阻抗是天线的一个重要参数。
b.辐射电阻
将天线所辐射的功率看成被一个等效电阻所吸收的功率时，这个假想的等效电阻就称为天线的辐射电阻。
辐射电阻与辐射功率的关系为：
（2-7）
式中I是天线上某参考点处电流的有效值。
当天线辐射功率已知时，辐射电阻R，的大小就与电流I参考点的取值有关，辐射电阻的大小说明了天线辐射能力或接收能力的强弱。
c．损耗电阻
如果把天线中的损耗功率（如导体热损耗、介质损耗）等效成电阻所吸收的功率，则损耗电阻为：
（2-8）
天线输入电阻置、辐射电阻B及损耗电阻有如下关系：
（2-9）
d.阻抗概念对中、低频天线特别有用，因为中、低频天线中，易于确定一对输入点，阻抗是单值的且测量不难。
阻抗的概念在高频上仍然有效，但直接确定和测量阻抗值较困难，因而也采用测量驻波系数或反射损耗的办法来计算出天线的输入阻抗。
工程上常用电压驻波系数VSWR来表征天线与馈线的匹配情况：
（2-10）
4．辐射方向图：
用极坐标图来表示天线的辐射场强度与辐射功率的分布,如图2-1所示。
5．半功率角的定义如图2-2所示。
图2-1辐射方向图
（a）按电场定义（b）按功率定义
图2-2半功率波束宽度
6．旁瓣：
在主辐射波瓣旁，还有许多副瓣，沿角度方向展开如图2-3所示。
其中，HPBW为半功率波束宽度，辐射最大功率下降3dB时的角度；
FNBW为第一零点波束宽度；
SLL为旁瓣高度，辐射最大功率与最大旁瓣的差。
图2-3主瓣与旁瓣
7．方向系数D定义为：
（2-11）
式中，Pmax为最大功率密度，单位为W/m2；
Pav为平均辐射功率密度，单位为W/m2。
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