RFID天线解析.docx

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RFID天线解析

天线与电波传播

课程论文

[摘要]近几年，RFID技术应用越来越频繁，其核心技术——RFID天线技术越发炙手可热。

本文综合多篇文献及科技新闻，从RFID技术本身、RFID天线的类型、设计过程、制作技术、发展现状和发展趋势等方面对RFID天线技术做了一个较为详细的梳理。

[关键词]RFID天线

[Abstract]Inrecentyears,RFIDtechnologyusedmoreandmorefrequently.Itscoretechnology--RFIDantennatechnologybecomemoreandmorehot.ThispapercombinemanypapersandtechnologynewsfromRFIDtechnologyitself,thetypeofRFIDantennadesign,productiontechnology,developmentstatusandtrendsoftheRFIDantennatechnologytodoadetailedsort.

[keyword]RFIDantenna

目录

引言·························4

1.关于RFID技术本身··················4

1.1RFID技术的定义·················4

1.2RFID系统的组成部件···············4

1.3RFID系统的工作原理···············5

2.RFID天线类型····················5

2.1近场天线····················6

2.2远场天线····················7

3.RFID天线的设计···················9

4.RFID天线制作····················10

4.1三种RFID天线常规制作技术············10

4.2Walki-4E技术··················11

4.3模切工艺·····················11

4.4烫印技术·····················12

5.RFID天线技术发展现状·················13

5.1防金属技术····················14

5.2小型化技术····················14

5.3新材料······················15

6.RFID天线技术发展趋势··················16

7.结束语························16

致谢

引言

RFID在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间（20世纪40年代）,到如今已经有50多年的历史。

但是RFID的发展却是在近几年才兴起的，特别是最近一两年，RFID技术得到了迅猛的发展，成功的应用案例比比皆是。

[1]行文时，作者首先重新温习课本，浏览多篇文献，打下理论基础，再以此确定行文结构，写作时每到一处便搜索相关部分的最新产品，完成了预期的有结构、有层次、有内容、有新意地介绍RFID天线技术的要求。

1.关于RFID技术本身

1.1RFID技术的定义

RF是“RadioFrequency”的缩写，是具有一定频率的能够用于无线电通信的电磁波，称为无线射频。

RFID即“无线射频识别”，是“RadioFrequencyIdentification”的缩写，它实际上是自动识别技术在无线电技术方面的应用和发展。

该技术利用射频信号对目标进行非接触性的识别和相关数据的读写。

可以实现快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。

由于识别工作无需人工干预，不受恶劣环境的影响，且读取速度快，读取信息安全可靠，因此这项技术有着广泛的应用前景。

[2]

1.2RFID系统的组成部件

最基本的RFID系统由电子标签、天线和阅读器组成。

1.2.1电子标签（Tag）

电子标签中存储有能够识别目标的信息，由耦合元件及芯片组成，有的标签内置有天线，用于和射频天线间进行通信。

标签中的存储区域可以分为两个区，一个是ID区——每个标签都有一个全球唯一的ID号码，即UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。

另一个是用户数据区，是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。

1.2.2天线（Antenna）

在电子标签和阅读器间传递射频信号。

后文会详细介绍。

1.2.3阅读器（Reader）

读取（或写入）标签信息的设备，阅读器对标签的操作有三类：

识别读取UID，读取用户数据，写入用户数据。

1.3RFID系统的工作原理

对于被动射频系统，当阅读器遇见RFID标签时，就发出电磁波，在标签周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活微芯片电路，将存储在标签中的信息（UID或用户数据）转换成电磁波，然后发送给阅读器，阅读器再把它转换成相关数据，然后发送给数据传输和处理系统，从而对这些数据进行管理和控制。

对于主动射频系统，则是由电子标签主动发送某一频率的电磁波，由阅读器进行读取。

[3]

图一RFID系统的工作原理图

从RFID系统的工作原理不难看出，在RFID卡和读写器进行通信的过程中，天线起到了重要的作用，标签天线的性能对提高系统的性能有着重要的意义。

由于标签附着在被标识物体上，标签天线会受到所标识物体的形状及物理特性的影响，如标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射、局部结构对辐射模式的影响等。

这些因素给标签天线的设计提出了很高的要求，同时也带来了巨大的挑战。

2.RFID天线类型

天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。

在电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。

当前的RFID系统主要集中在LF、HF（13.56MHz）、UHF（860-960MHz）和微波频段，不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同。

RFID天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离等产生影响，RFID系统的工作频段反过来对天线尺寸以及辐射损耗有一定要求。

所以RFID天线设计的好坏关系到整个RFID系统的成功与否。

2.1近场天线

对于LF和HF频段，系统工作在天线的近场，标签所需的能量都是通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得，工作方式为电感耦合。

近场天线的公式是：

由上式可知，电场强度随距离的三次方衰减，磁场强度随距离的二次方衰减，且电磁场分量相位差为90○，波印廷矢量为虚数，能量不向外辐射，只在天线表面附近进行电能和磁能的交换。

因为在近场实际上不涉及电磁波传播的问题，天线设计比较简单，一般采用工艺简单、成本低廉的线圈型天线。

线圈型天线实质上就是一个谐振电路。

在指定的工作频率上，当感应阻抗等于电容阻抗的时候，线圈天线就会产生谐振。

谐振回路的谐振频率为:

（L是天线的线圈电感、C是天线的线圈电容）。

HF段RFID的线圈天线谐振工作频率通常为13.56MHz.，RFID应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。

某些应用环境要求RFID线圈天线外形很小,且需一定的工作距离,这样必然会使线圈天线的互感量减小。

为了解决这个问题，我们通常在线圈内部插入具有高导磁率μ的铁氧体材料,以增大互感量,从而补偿线圈横截面减小的问题.很明显，近场天线的工作原理完全类似我们熟知的变压器原理，理论相对比较简单。

iDTRONIC公司最近宣布推出一个新的近场天线和新的货架天线，如图二所示。

近场天线型为是A1030，厚度仅有6.5毫米（0.25英寸），并且专为短距离读取范围的单品级RFID跟踪应用项目而设计，如珠宝、图书馆、零售店、制药和医疗保健。

根据iDTRONIC称，该天线具有安装孔，灵活而且便于集成安装，天线罩使用的是具有阻燃功能的KYDEX塑料制成。

该类天线具有IP65的防护等级，因此具有防尘防水的功能。

[4]

　　图二IDTronic的A7040货架天线

2.2远场天线

下面，我们着重讨论远场天线的理论分析和结构。

对于超高频和微波频段，读写器天线要为标签提供能量或唤醒有源标签，工作距离较远，一般位于读写器天线的远场。

远场天线的电场强度和磁场强度随距离的一次方衰减，电场和磁场方向相互垂直，且都垂直于传播方向。

波印廷矢量为实数，电磁场以电磁波形式向外辐射能量。

此时，天线设计对系统性能影响较大，多采用偶极子型或微带贴片天线。

下面分别予以详细分析。

2.2.1偶极子天线

偶极子天线，也称为对称振子天线，由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成。

信号从中间的两个端点馈入,在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布,这种电流分布就会在天线周围空间激发起电磁场.一般在RFID电子标签中使用的是曲折型的折合偶极子天线。

如图三所示：

图三曲折型的折合偶极子天线

利用麦克斯韦方程就可以求出偶极子天线的辐射场方程:

式中IZ为沿振子臂分布的电流,α为相位常数,r是振子中点到观察点的距离,θ为振子轴到r的夹角,l为单个振子臂的长度.通过高频软件仿真，如ADS，HFSS,可以得到天线的输入阻抗、输入回波损耗S11、阻抗带宽和天线增益等特性参数.当单个振子臂的长度l=π/4时（半波振子）,输入阻抗的电抗分量为零,天线输入阻抗可视为一个纯电阻.例如，由N根导线折合偶极子，假设所有导线上的电路都相等，其馈端阻抗为70N2Ω。

在忽略天线粗细的横向影响下,简单的偶极子天线设计可以取振子的长度l为π/4的整数倍。

当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时,可采用折合偶极子天线.

2.2.2微带贴片天线

微带贴片天线通常是由金属贴片贴在接地平面上一片薄层电介质（基片）表面所构成。

如图四所示：

图四微带贴片天线示意图

微带贴片天线质量轻、体积小、剖面薄,馈线和匹配网络可以和天线同时制作，与通信系统的印刷电路集成在一起，贴片又可采用光刻工艺制造，成本低、易于大量生产。

微带贴片天线以其馈电方式和极化制式的多样化以及馈电网络、有源电路集成一体化等特点而成为印刷天线类的主角。

通常微带贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长,假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化,仅沿约为半个波长的导体长度方向变化。

则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起,方向基本确定。

因此，微带贴片天线非常适用于通讯方向变化不大的RFID应用系统中。

美国北卡罗来纳州立大学的研究人员近日开发出的一款能被植入可穿戴健康监控设备中的含银纳米线的新型可伸缩天线（如图五），就属于微带贴片天线。

为保证天线性能的弹性和有效性，研究人员首先使用模板将银纳米线排列为特定图案，然后在纳米线上铺一层液体聚合物。

当聚合物凝固时，便形成了包含预期图案纳米线的弹性复合材料。

该图案化材料能构成微带贴片天线的辐射组件。

通过调整辐射组件的形状和维度，研究人员可控制天线发送和接收信号时的频率。

这种天线可直接集成到传感器中，且这种制备新方法较为简易，能用于大规模生产。

[5,6]

图五可植入可穿戴健康监控设备的新型可伸缩天线

3.RFID天线的设计

RFID天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。

天线的结构决定了天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。

天线特性也受所贴附物体形状及物理特性的影响。

例如，磁场不能穿透金属等导磁材料,金属物体附近磁力线形状会发生改变,而且,由于磁场能会在金属表面引起涡流.由楞次定律可知,涡流会产生抵抗激励的磁通量,导致金属表面磁通量大大衰减.读写器天线发出的能量被金属吸收,读写距离就会大大减小。

另外，液体对电磁信号有吸收作用，弹性基层会造成标签及天线变形，宽频带信号源（如发动机、水泵、发电机）会产生电磁干扰等，这些都是我们设计天线时必须细致考虑的地方。

目前，研究领域根据天线的以上特性提出了多种解决方案，如采用曲折型天线解决尺寸限制，采用倒F型天线解决金属表面的反射问题等。

天线的目标是传输最大的能量进出电路，这就需要仔细的设计天线和自由空间以及其电路的匹配，天线匹配程度越高，天线的辐射性能越好。

当工作频率增加到超高频区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。

在传统的天线设计中，我们可以通过控制天线尺寸，使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。

一般天线的开发基于的是线尺寸和结构，使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。

50或75欧姆阻抗，而在RFID系统中，芯片的输入阻抗可能是任意值，并且很难在工作状态下准确测试，天线的设计也就难以达到最佳。

对于近距离RFID应用，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离RFID系统，读写器天线和读写器一般采取分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆连接。

一般来说，方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合标签应用；由于标签放置方向不可控，读写器天线一般采用圆极化方式。

读写器天线要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。

对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。

国外已经开始研究在读写器应用智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，“智能”的打开和关闭不同的天线，使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签，增大系统覆盖范围。

[7]

7.RFID天线制作

4.1三种RFID天线常规制作技术

通常，RFID天线制作技术主要有蚀刻法、线圈绕制法和印刷天线三种。

其中,RFID导电油墨印刷天线为近年来发展的一种新技术。

以上RFID标签天线的制作方法分别适用于不同频率的RFID电子标签产品。

低频RFID电子标签天线基本是绕线方式制作而成，高频RFID电子标签天线利用以上三种方式均可实现,但以蚀刻天线为主,其材料一般为铝或铜,UHFRFID电子标签天线则以印刷天线为主。

蚀刻法也称为减法制作技术。

其制作流程如下（以铜质天线为例）:

首先在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片；然后在铜箔片上涂覆光敏胶,干燥后通过一个正片（具有所需形状的图案）对其进行光照；放入化学显影液中，此时感光胶的光照部分被洗掉,露出铜；最后放入蚀刻池，所有未被感光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉，从而得到所需形状的铜线圈。

蚀刻印制天线因为其精度高，特性能够与读写器的询问信号相匹配，同时在天线的阻抗、应用到物品上的射频性能等都很好，但是它惟一的缺点就是成本太高。

利用线圈绕制法制作RFID标签时，要在一个绕制工具上绕制标签线圈并进行固定，此时要求天线线圈的匝数较多（典型匝数50-l500匝）。

这种方法用于频率范围在125-134KHz的RFID标签,其缺点是成本高,生产速度慢。

印刷天线是直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路,形成天线和电路,又叫添加法制作技术。

主要的印刷方法已从只用丝网印刷扩展到胶印、柔性版印刷、凹印等制作方法,较为成熟的制作工艺为网印与凹印技术。

印刷技术的进步及其进一步应用于RFID天线的制作使RFID标签的生产成本降低,从而促进了RFID电子标签的应用。

[8]

2013年德国纽豹与NovaCentrix合作开发RFLD印刷天线制造新技术。

德国纽豹与NovaCentrix合作开发了一个RFID天线制造新技术的项目,将开发、生产和销售可伸缩天线的生产系统,供RFID嵌体和标签制造商使用。

该系统结合NovaCentrix的PulseForse光烧结工具,并针对NovaCentrix的MetalonICI系列油墨进行优化。

PulseForge工具使用专利的光固化装置在几毫秒内加热导电性油墨和薄膜材料而不会影响到底层或者临近区域,可以用来在PET之类的聚合物或者纸基上干燥、固化或者退火薄膜材料。

MetalonICI系列油墨由氧化铜纳米粒子和水溶性还原剂。

在水中合成油墨印刷后,PulseF0rge工具将驱动还原氧化铜的化学反应,并生成高导电性的铜薄膜。

这个过程在低温的空气环境下即可完成,生成速度超过30m/min。

[9]

4.2.Walki-4E技术

传统工艺生产RFID天线的方法目前正受到一项新的专利技术——Walki-4E的挑战。

Walki-4E是一种高效、可持续生产柔性电路板的新方式。

它可以通过不涉及液体化学品并使用纸作为基材的干法工艺实现生产。

简单地说就是将铝和纸基材压制成特殊的薄片，然后用激光将铝箔层切出图案。

这种新技术还允许在天线生产中使用计算机并实现极其精确的电路板图案激光切割。

与蚀刻相比，Walki-4E技术可从标签生产工艺或加工商的工艺中省去整个步骤，从而实现效率与经济的结合。

该技术可用于任何柔性电路板生产，从RFID天线到散热器和柔性显示器的电路板等。

据悉，即将推出的首款采用Walki-4E技术生产的产品是一种超高频RFID天线。

[10,11]

4.3模切工艺

模切技术是印刷品后期加工的一种裁切工艺，通过刀模对印刷品进行裁切，直接得到所需要的图形，如图六所示所示：

图六横切原理图

模切天线的制造方法是：

先根据天线的图案制好相应的模切刀模，然后用它对模切材料进行模切，最后排除不需要的部分（排废）得到天线图案。

模切机每秒可以切3次，假设一个刀模上有3个天线图案，一天工作12h，那么每天可以出图案40万张，远远高于蚀刻法的速度。

由于模切原材料与蚀刻原材料基本是一样的，所以模切天线与蚀刻天线性能一致，优于印刷天线；此外，由于是刀模切除，天线边缘整齐，好于蚀刻天线和印刷天线，这可以降低边缘效应，增加其电导性，导致天线电阻损耗减少，天线增益增加，从而使得天线性能得到提升。

采用横切工艺制造天线，原材料价格与蚀刻法相当，但模切法需要模具，一副模具大概在1000元左右，而蚀刻法需要掩膜和光刻。

总的来说，一万张以下蚀刻法比模切法便宜一些；一万张以上，模切法成本低于蚀刻法，因此更适合于大规模生产天线。

蚀刻法可蚀刻的缝隙可至0.2mm以下，芯片可以直接贴装于天线上；模切法可切除的最细缝隙约在0.5mm，芯片不能直接倒装在天线上，必须通过芯片模组转移的方式来完成天线与芯片互连。

[12]

4.4烫印技术

据日经BP社报道：

大日本印刷采用书籍等使用的烫印技术，开发了在纸上直接形成天线的UHF频带无线标签。

在书籍、票据等纸制印刷品的制造中，可将无线标签直接烫印其上。

无需以往无线标签使用的薄膜材料，还能够省去标签加工及粘贴程序。

与以往将无线标签粘贴到印刷品上的方式相比，加工成本可降低约30%。

烫印技术是通过烫印金属箔强调亮度和创意效果的技术。

该技术一般被用于书籍的装订和商品的包装等。

此次利用烫印加工技术，开发出了以纸为基材，性能优越的UHF频带无线标签。

在IC晶片和天线的粘接方面，不使用普通的接合材料，而是采用独特的方法，实现了牢固的结合强度。

烫印天线的工艺流程为：

在需要烫金的部位印刷特种黏合剂——UV固化黏合剂；而后通过UV干燥装置将黏合剂中的水分去除到一定程度，形成一层高黏度的，非常薄的压敏胶；然后，开始冷烫金，在一对金属滚筒的作用下，使铝箔同黏合剂接触并压合为一体。

由于黏合剂同铝箔之间粘结力大，所以排废时，铝箔与黏合剂接触的部位留在基片表面，与基片成为一体，而铝箔的其他部分则同传统烫金一样排废，从而完成RFID标签天线的印制过程。

由于转移在印刷品上的铝箔图纹浮在印刷品表面，牢固度很差，而且标签使用过程中还要防止表面铝的氧化，必须给予保护，因此在标签装上芯片后还需表面上光或覆膜，以保护表面铝制天线。

对于刻蚀法和导电油墨法，烫印天线的方法似乎更加简单，不但缩减了生产工艺流程，降低了生产成本，同时还大大降低了材料的生产成本。

众所周知，铝箔与导电油墨的生产成本相差是几个数量级的，同时生产工序流程中可以看出，烫印天线是直接将天线烫印在基材上，省去标签加工及粘贴程序，因此烫印天线的生产流程就仅仅为烫印和封装两个过程。

行内的人都知道，其实标签化加工和封装也是RFID成败的光键。

在RFID印制中，对制作工艺有其独特的要求，主要应注意高成品率、厚纸印刷和复合加工。

在高成品率上，由于RFID本身的价值要高于普通印刷标签许多倍，所以给企业带来高利润的同时，印刷品高成品率尤为重要。

尤其是许多产品都要求多色UV墨印刷、上光、上胶，印量大的标签大多数还采用卷到卷印刷或无接口印刷（通花）等方式加工，由于加工工序多，也加大了成品的筛选难度。

对于厚纸印刷，在卡纸加工中，必须注意设备对350g/m2的卡纸要有良好的印刷适性，卡纸印刷中要保持纸带的张力稳定，保证印刷累计套印误差降到最小，因此如果每个画面都套印很准，但是画面之间的间距产生误差较大，也会给RFID印刷后的复合和模切工序造成麻烦。

至于复合加工，它是RFID加工中的关键工序，它不仅要求每个标签之间的尺寸不会因为张力变化而改变，而且对于薄膜类材料，还要考虑拉伸变形造成标签间距增加程度，并做适当调整。

因此烫印天线法对RFID制作过程中工序的缩减无论对于原材料资源的利用、成品率的提高或是RFID成本的降低都有重大的意义。

但是烫印天线也存在着不足之处：

1、印刷品烫印后必须上光或覆膜，用以保护烫金天线的图纹，增加了成本和工艺的复杂性。

2、由于UV黏合剂流平性差，所以干燥后的表面有些不是绝对的平面，导致转移在其上面的金属箔表面亮度差，有漫反射现象，可能会影响标签天线的美观。

[13]

8.RFID天线技术发展现状

近年来，RFID标签天线技术取得了较大的进展，各种新技术和新材料的应用使标签天线的性能得到了较大的提升。

5.1防金属技术

若电子标签使用于金属表面，为了使标签正常工作，通常采用的办法是将标签安装于距金属表面一定的高度（如1cm以上）位置上，而这会带来标签成本的增加和使用受限问题。

为解决这一难题，近年来，国内外出现了一些涉及防金属电子标签及其标签天线的报道，各种防金属标签天线设计方案层出不穷，如增加RFID标签的基板背面金属涂层的面积，在标签基板中引入电磁带隙（EBG）结构，以降低金属使用环境的影响。

目前，国外防金属技术标签的研究更进一步。

瑞士的HartingMitronics公司在新研发的RFID标签中融合了3-D技术，标签内部是塑料注塑成型，激光全息结构的金属涂层产生3-D效果，功能类似于高灵敏度inverted-F天线。

这种天线对环境的适应性比较强，无论是金属环境、液态环境、高温环境还是振颤环境。

如2006年4月发布应用的无源超高频RFID标签安装了3-D天线，进一步增强了识读能力，识读范围达5米，实物见图七：

[14]

图七Harting3-D防金属标签

5.2小型化技术

由于RFID标签尺寸的限制，射频天线的小型化成为决定RFID标签性能的重要因素，因而长期以来，标签天线小型化一直是RFID技术和应用领域的研究热点之一。

来自曼彻斯特大学的研究人员和石墨烯材料制造商BGTMaterials合作，将尺寸为14cm×3.5mm的射频天线使用压缩石墨烯油墨打印到了一张纸上，如图八所示。

根据该团队称，天线表现不错，足以使其应用于RFID标签和无线传感器。

此外该天线可塑性强，对环境无害，甚至可廉价的大规模生产。

[15]

图八压缩石墨烯SEM图像

2015年4月16日，新西兰高性能RFID天线的领导者Times-7，推出其新的超薄圆极化天线A5010如图九。

该天线设计用于大型制造行业，外形为正方形，长宽为10英寸（毫米），并延续Times-7天线超薄的特点，厚度仅为1/2英寸（毫米），防护等级达到了IP67，方便用于室内或室外。

[16]

图九超薄圆极化天线A5010

5.3新材料

随着RFID标签的广泛应用，从性能、成本、环保等方面对标签天线提出了更高的要求，人们设法将各种新型材料应