RFID技术原理及其射频天线设计

RFID技术原理及其射频天线设计（精选5篇）

篇1：RFID技术原理及其射频天线设计

RFID技术原理及其射频天线设计

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 , radio frequency identification)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 , radio frequency identification)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Ansoft HFSS 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.RFID 天线类型

RFID 主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3 种基本形式的天线.其中,小于1 m 的近距离应用系统的RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线,它们主要工作在中低频段.而1 m 以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID 天线,它们工作在高频及微波频段.这几种类型天线的工作原理是不相同的.2.1 线圈天线

当RFID 的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中,RFID 天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器,两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈.由RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图2所示,它包括RFID 天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2′,其谐振频率为: ,(式中C 为Cp 和C2′的并联等效电容).RFID 应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的ID1 型非接触式IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm),天线线圈谐振工作频率通常为13.56 MHz.目前已研发出面积最小为0.4mm ×0.4 mm 线圈天线的短距离RFID 应用系统.图2 应答器等效电路图

某些应用要求RFID 天线线圈外形很小,且需一定的工作距离,如用于动物识别的RFID.线圈外形即面积小的话,RFID 与读写器间的天线线圈互感量M就明显不能满足实际使用.通常在RFID 的天线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.2.2 微带贴片天线

微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的 ,如图3 所示.根据天线辐射特性的需要,可以设计贴片导体为各种形状.通常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,仅沿约为半波长(λg/ 2)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的,辐射方向基本确定,因此,一般适用于通讯方向变化不大的RFID 应用系统中.为了提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题,人们还提出了各种不同的微带缝隙天线,如文献[5,6]设计了一种工作在24 GHz 的单缝隙天线和5.9 GHz 的双缝隙天线,其辐射波为线极化波;文献[7,8]开发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线,它是可以采用左旋圆极化和右旋圆极化来对二进制数据中的‘1’和‘0’进行编码.图3 微带天线

2.3 偶极子天线

在远距离耦合的RFID 应用系统中,最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线).偶极子天线及其演化形式如图4 所示,其中偶极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,这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场.利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程:

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.同样,也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等特性参数.图4 偶极子天线

(a)偶极子天线;(b)折合振子天线;(c)变形偶极子天线

当单个振子臂的长度l =λ/ 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.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λ/ 4 的整数倍,如工作频率为2.45 GHz 的半波偶极子天线,其长度约为6 cm.当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时,可采用图4b的折合振子.RFID 射频天线的设计

从RFID 技术原理和RFID 天线类型介绍上看,RFID 具体应用的关键在于RFID 天线的特点和性能.目前线圈型天线的实现技术很成熟,虽然都已广泛地应用在如身份识别、货物标签等RFID 应用系统中,但是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID 应用场合,采用线圈型天线则难以设计实现相应的性能指标.同样,如果采用微带贴片天线的话,由于实现工艺较复杂,成本较高,一时还无法被低成本的RFID 应用系统所选择.偶极子天线具有辐射能力较强、制造简单和成本低等优点,且可以设计成适用于全方向通讯的RFID 应用系统,因此,下面我们来具体设计一个工作于2.45 GHz(国际工业医疗研究自由频段)的RFID 偶极子天线.半波偶极子天线模型如图4a 所示.天线采用铜材料(电导率:5.8e7 s/ m ,磁导率:1),位于充满空气的立方体中心.在立方体外表面设定辐射吸收边界.输入信号由天线中心处馈入,也就是RFID 芯片的所在位置.对于2.45 GHz 的工作频率其半波长度约为61mm ,设偶极子天线臂宽w 为1 mm ,且无限薄,由于天线臂宽的影响,要求实际的半波偶极子天线长度为57mm.在Ansoft HFSS 工具平台上, 采用有限元算法对该天线进行仿真,获得的输入回波损耗S11 分布图如图5a 所示,辐射场E 面(即最大辐射方向和电场矢量所在的平面)方向图如图5b 所示.天线输入阻抗约为72 Ω ,电压驻波比(VSWR)小于2.0 时的阻抗带宽为14.3 % ,天线增益为1.8.图5 偶极子天线

(a)回波损耗S11;(b)辐射方向图

从图5b 可以看到在天线轴方向上,天线几乎无辐射.如果此时读写器处于该方向上,应答器将不会做出任何反应.为了获得全方位辐射的天线以克服该缺点,可以对天线做适当的变形,如在将偶极子天线臂末端垂直方向上延长λ/ 4 成图4c 所示.这样天线总长度修改为(57.0 mm + 2 ×28.5 mm),天线臂宽仍然为1 mm.天线臂延长λ/ 4 后,整个天线谐振于1 个波长,而非原来的半个波长.这就使得天线的输入阻抗大大地增加,仿真计算结果约为2 kΩ.其输入回波损耗S11如图6a 所示.图6b 为E 面(天线平面)上的辐射场方向图,其中实线为仿真结果,黑点为实际样品测量数据,两者结果较为吻合说明了该设计是正确的.从图6b 可以看到在原来弱辐射的方向上得到了很大的改善,其辐射已经近似为全方向的了.电压驻波比(VSWR)小于2.0 时的阻抗带宽为12.2 % ,增益为1.4 ,对于大部分RFID 应用系统,该偶极子天线可以满足要求.图6 变形偶极子天线

(a)回波损耗S11;(b)辐射方向图 结束语

总之,RFID 的实际应用关键在于天线设计上,特别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说,要求RFID 能够实现全方向的无线数据通讯,且还要价格低廉、体积小.因此,我们所设计的上述这种全向型偶极子天线的结构简单、易于批量加工制造,是可以满足实际需要的.通过对设计出来实际样品的进行参数测试,测试结果与我们的设计预期结果是一致.

篇2：RFID技术原理及其射频天线设计

增 刊 厦门大学学报(自然科学版 Vol.44 Sup.2005年 6月

Journal of Xiamen University(Nat ural Science J un.2005

RFID 技术原理及其射频天线设计 收稿日期 :2005203210 基金项目 :国家人事部留学人员创业基金 , 福建省自然科学基金计 划资助项目(A0410007 作者简介 :陈华君(1977-, 男 , 博士研究生.3通讯作者 :dhguo@xmu.edu.cn 陈华君 1, 林

凡 2, 郭东辉 1,2,33, 吴孙桃 2(1.厦门大学物理学系 , 2.厦门大学 M EMS 中心 , 3.厦门大学电子工程系 , 福建 厦门 361005 摘要 :首先简要介绍 RFID 技术的基本工作原理 , 说明射频天线是 RFID 系统设计的技术关键 , 然后介绍了几种基本的

RFID 射频天线及其工作原理 ，并针对普遍使用的偶极子天线在 RFID 系统中方向性上的不足提出改进 , 最后 , 给出一个具

有全向收发功能的 RFID 天线设计.通过设计仿真工具模拟仿真 , 并进行实际样品测试 , 获得较满意的设计结果.关键词 :RFID;射频天线;电子标签

中图分类号 :TN 820.12;TN 821.4文献标识码 :A

文章编号 :043820479(2005 Sup 20312204

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 [1].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 ,radio f re 2quency identification 卡就是一种典型的非接触式 IC 卡 , 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 HFSS 工具来设计了一种全向的 RFID 天线.1 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 [2], 有 的甚至将天线一起集成在同一芯片上 [3].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 , 中获得足够的能量;另一方面 , 天线决定了 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.图

1射频识别系统原理图

Fig.1 Structure of RFID system

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图

2应答器等效电路图

Fig.2 Equivalent circuit diagram of responder 2 RFID 天线类型

RFID 主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型 3种

基本形式的天线.其中 , 小于 1m RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线 ，它们主要工作在中低频段.而 1m 以上远距离的应用 系统需要采用微带贴片型或偶极子型的 RFID 天线 ,.这几种类型天线的工作

原理是不相同的.2.1线圈天线

当 RFID 的线圈天线进入读写器产生的交变磁场

中 ,RFID 天线与读写器天线之间的相互作用就类似 于变压器 , 两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次 级线圈.由 RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图 2所示 , 它包括 RFID 天线的线圈电感 L、寄生电容 C p 和并联电容 C 2′ , :f =

2π・ C ,(式中

C 为 C p 和 C 2′ 的并联等效电容.RFID 应用系统就是

通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的 ID 21型非接触式 IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03mm ×0.76mm , 天线线圈谐振工作频率 通常为 13.56M Hz.目前已研发出面积最小为 0.4mm ×0.4mm 线圈天线 [3]的短距离 RFID 应用系统.某些应用要求 RFID 天线线圈外形很小 , 且需一 定的工作距离 , 如用于动物识别的 RFID.线圈外形即

面积小的话 , RFID 与读写器间的天线线圈互感量 M 就明显不能满足实际使用.通常在 RFID 的天线线圈 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.2.2微带贴片天线

微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片 上的辐射贴片导体所构成的 [4], 如图 3所示.根据天线 辐射特性的需要 , 可以设计贴片导体为各种形状.通常 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 , 仅沿约为半波长(λg/2 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

图

3微带天线

Fig.3 Microstrip antenna 边缘场引起的 , 辐射方向基本确定 , 因此 , 一般适用于

通讯方向变化不大的 RFID 应用系统中.为了提高天 线的性能并考虑其通讯方向性问题 , 人们还提出了各 种不同的微带缝隙天线 , 如文献 [5,6]设计了一种工作 在 24GHz 的单缝隙天线和 5.9GHz 的双缝隙天线 , 其辐射波为线极化波;[7,8]开发了一种圆极化缝 隙耦合贴片天线 , 它是可以采用左旋圆极化和右旋圆 ‘ 1’ 和 ‘ 0’ 进行编码.图

4偶极子天线

(a 偶极子天线;(b 折合振子天线;(c 变形偶极子天线

Fig.4 Dipole antenna 2.3RFID 应用系统中 , 最常用的是 偶极子天线(又称对称振子天线 [9].偶极子天线及其 演化形式如图 4所示 , 其中偶极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 , 这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场.利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程 : E θ=∫ l-l d E θ=∫ l-l r

sin θcos(αz co s θ d z 式中 I z 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.同样 , 也可以得到天线的输入阻 抗、输入回波损耗 S

11、阻抗带宽和天线增益等等特性 参数 [9].当单个振子臂的长度 l =λ/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.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 λ/4的整数倍 , 如工作频

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313・ 增刊

陈华君等 :RFID技术原理及其射频天线设计

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(a

(b

图

5偶极子天线(a 回波损耗 S 11;(b 辐射方向图

Fig.5 Dipole antenna 率为 2.45GHz 的半波偶极子天线 , 其长度约为 6cm.当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时 , 可采用图 42b 的折合振子.3 RFID 射频天线的设计

从 RFID 技术原理和 RFID 天线类型介绍上看 , RFID 具体应用的关键在于 RFID 天线的特点和性能.目前线圈型天线的实现技术很成熟 , 虽然都已广泛地 应用在如身份识别、货物标签等 RFID 应用系统中 , 但 是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不 确定的 RFID 应用场合 , 采用线圈型天线则难以设计 实现相应的性能指标.同样 , 如果采用微带贴片天线的 话 , 由于实现工艺较复杂 , 成本较高 , 一时还无法被低 成本的 RFID 应用系统所选择.能力较强、制造简单和成本低等优点 , 用于全方向通讯的 RFID 应用系统 , 因此 , 下面我们来 45(国际工业医疗研究自 由频段 RFID 偶极子天线.42a 所示.天线采用铜 材料(电导率 :5.8e7s/m , 磁导率 :1 , 位于充满空气的 立方体中心.在立方体外表面设定辐射吸收边界.输入 信号由天线中心处馈入 , 也就是 RFID 芯片的所在位 置.对于 2.45GHz 的工作频率其半波长度约为 61mm , 设偶极子天线臂宽 w 为 1mm , 且无限薄 , 由于天 线臂宽的影响 , 要求实际的半波偶极子天线长度为 57mm.在 Ansoft HFSS 工 具平台 上 , 采 用 有 限 元 算

法 [10]对该天线进行仿真 , 获得的输入回波损耗 S 11分 布图如图 52a 所示 , 辐射场 E 面(即最大辐射方向和电 场矢量所在的平面 方向图如图 52b 所示.天线输入阻 抗约为 72Ω, 电压驻波比(VSWR 小于 2.0时的阻抗 带宽为 14.3%, 天线增益为 1.8.从图 52b 可以看到在天线轴方向上 , 天线几乎无 辐射.如果此时读写器处于该方向上 , 应答器将不会做

(a

(b

图 6

变形偶极子天线(a 回波损耗 S 11;(b 辐射方向图

Fig.6 Changed dipole antenna 出任何反应.为了获得全方位辐射的天线以克服该缺

点 , 可以对天线做适当的变形 , 如在将偶极子天线臂末 端垂直方向上延长 λ/4成图 42c 所示.这样天线总长 度修改为(57.0mm +2×28.5mm , 天线臂宽仍然为 1mm.天线臂延长 λ/4后 , 整个天线谐振于 1个波长 , 而非原来的半个波长.这就使得天线的输入阻抗大大 地增加 , 仿真计算结果约为 2k Ω.其输入回波损耗 S 11如图 62a 所示.图 62b 为 E 面(天线平面 上的辐射场 方向图 , 其中实线为仿真结果 , 黑点为实际样品测量数 据 , 两者结果较为吻合说明了该设计是正确的.从图 62b 可以看到在原来弱辐射的方向上得到了很大的改

善 , 其 辐 射 已 经近似 为 全 方 向 的 了.电 压 驻 波 比(VSWR 小于 2.0时的阻抗带宽为 12.2%, 增益为 1.4, 对于大部分 RFID 应用系统 , 该偶极子天线可以 满足要求.4结束语

总之 ,RFID 的实际应用关键在于天线设计上 , 特 别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说 , 要求 RFID 能够实现全方向的无线数据通讯 , 且还要价格 低廉、体积小.因此 , 我们所设计的上述这种全向型偶 极子天线的结构简单、易于

批量加工制造 , 是可以满足 实际需要的.通过对设计出来实际样品的进行参数测 试 , 测试结果与我们的设计预期结果是一致.参考文献 : [1]

苏雪莲.IC 卡的国内外发展现状 [J].微电子技术 ,1997,(2 :1-9.[2] Friedman D , Heinrich H ,Duan D W.A low 2power CMOS integrated circuit for field 2powered radio f requency identi 2fication tags [A ].Solid 2State Circuits Conference [C ].1997.294-295,474.[3] Usami M.An ultra small RFID chip :u 2chip [A ].Radio ・

413・ 厦门大学学报(自然科学版

2005年

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Frequency Integrated Circuits(RFIC Symposium [C ].2004.241-244.[4] [美 ]鲍尔 I J , 布哈蒂亚 P , 著.微带天线 [M ].梁联倬 , 寇 廷耀 , 译.北京 :电子工业出版社 ,1984.[5] Padhi S K , Karmakar N C ,Law C L ,et al.Microstrip 2fed slot antenna for millimetre 2wave RFID system[A ].Micro 2wave Conference ,Asia 2Pacific[C].2000.1396-1399.[6] Padhi S K , Karmakar N C ,Law C L ,et al.A dual polar 2

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RFID system and its antennae ,and designs an omni antenna for RFID system to improve the shortage of radiation pattern of tradition 2al dipole antenna used in RFID system.The results of both simulation and measurement are identical.K ey w ords : RFID;RF Antenna;electronic tag ・

513・ 增刊

及其射频天线设计

篇3：RFID技术原理及其射频天线设计

关键词：RFID,图书馆,应用

随着现代科技的不断发展,一种新型的射频识别技术RFID正以其独有的魅力吸引着越来越多人的关注。在图书馆领域,RFID凭借其自身的优势特点,将逐步取代现行的条形码,随之而来的是RFID为图书馆带来的全新理念。

1 RFID简介

1.1 RFID识别技术

RFID(Radio Frequency Identification),即射频识别技术,也称无线射频识别技术,其最大的优点在于非接触式读取数据。射频识别技术利用射频信号,通过空间交变磁场或电磁场,实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的,识别工作无需人工干预可工作于各种恶劣环境。射频识别技术又被称为“电子标签”。

1.2 RFID的基本构成

在RFID的操作中,一般包括三个主要元件:天线(Antenna)、阅读器(Reader)以及标签(Tag)。在实际应用中,还需要其他软、硬件支持。

天线:负责发射及接受无线电信号,从而激活标签上的资料。作为标签与阅读器之间的通信桥梁,天线是RFID系统中必不可少的部分。

阅读器:阅读器通过天线向标签发出无线电波,激活标签。标签的内置电路受到激活后,会按预定程序自主地沿着无线电波把本身载有的资料传回阅读器以供处理。

标签:标签类似于条形码技术中的条码符号,与条形码不同的是,标签能够自动或在外力作用下,把储存的信息发射出去。标签的电子部分可以用各式各样的材料包装,其形状和大小也可以有非常灵活的设计。

1.3 RFID的技术实现原理

RFID的工作原理为:处于工作状态的阅读器通过天线把一定波段的无线电波发射到空气中,邻近的电子标签被无线电波激活后,随机发射出载有标签资料的无线电波,这些载有标签资料的无线电波被阅读器接受,再传给阅读器连接的计算机进行相关数据处理。在上述过程中,电子标签中存储的信息就是待识别物体的标识信息,通过对信息的认证,实现了远距离无接触地识别物体。RFID的工作原理如图1所示。具体结合图书馆而言,其工作流程为:每件图书馆的馆藏(图书、期刊、CD、DVD等各种类型)配备相应的电子标签,当馆藏在阅读器的工作范围内时,电子标签会及时发送出自身携带的信息。通过阅读器读取信息进而完成相应业务。

2 RFID在图书馆领域的应用

2.1 RFID适用于图书馆的特点与优势

在图书馆领域,条形码技术可谓人所共知,而相比之下,RFID技术对于多数人而言就显得比较陌生了。那么,传统的条形码与RFID有何区别?从表面上看,两者都是为了快速准确地确认目标物体,但与条形码相比,在图书馆中使用RFID电子标签具有如下几个突出的特点与优势:

1)RFID可实现多目标的快速识别。RFID阅读器可同时辨别读取数个RFID标签,可做到“成批处理,瞬间完成”,工作效率高。而传统的条形码技术一次只能对一本图书的信息进行扫描读取。

2)RFID标签可实现无屏障阅读及远距离自动识别。RFID可透过纸张、木材、塑料等非金属外部材料直接读取数据,它的读写距离远,标签在读写时处于非接触操作状态,只要在阅读器的作用范围内就可被读取,阅读距离从几厘米到几十米,无需与目标接触。而条形码扫描机则必须在近距离并且是没有物体阻挡的前提下,才能正常工作,不仅效率低,也容易出错。

3)RFID标签的信息记忆量大。传统一维条形码的容量是50字节,二维条形码的最大容量也仅为数千字节。这使得它们只能记录图书的特征码,而把图书的其他信息放在特定数据库中,通过对数据库的读取来获取图书信息。即如果脱离了数据库,条形码的作用将大打折扣。而RFID标签的最大容量则可达数兆字节,因此可轻易地存储图书地各种信息,例如文字、图像等。

此外,RFID标签还具有抗污染耐用、可重复更新使用、较好的保密性和追踪定位功能等特点。

2.2 RFID在图书馆中的应用

在图书馆中,RFID已经具备了条形码的所有功能,同时还拥有了条形码所没有的方便高效性。图书馆应用RFID带来的优势主要在以下几个方面:

1)极大地简化了借书、还书作业,为读者提供自助借书还书业务。目前图书馆中普遍使用的仍为条形码技术,即以条形码作为每本书的标识码,借书还书时图书管理员都要用扫描机对准图书逐一扫描,这样不仅工作时间长,压力大,且容易出错。如果采用RFID技术,则可以对借阅或归还的图书进行成批处理,处理工作在瞬间非接触完成。由于工作的简化,往日常见的排队现象将彻底消失,读者所要做的只是把图书放入指定的某个区域,这时阅读器将读取图书信息和读者借阅证信息,帮助读者实现自助式借书、还书、续借等手续。

2)更为有效的安全防盗、防破坏措施。传统的防盗系统借助的是磁条,在图书被借出归还时消磁上磁,以防图书未经许可被带出。但这种系统效率、可靠性低,同时磁条本身容易老化或磁性消退,这些都会影响系统的正常运行。应用RFID技术,以标签取代磁条,RFID防盗系统直接对标签进行识别、监视,借书还书时可免除消磁上磁的工作,当带有RFID标签的图书通过安全门时,识别器读取标签中的信息,分析该图书的借阅状态,并最终决定是否报警。用RFID取代原有防盗系统,不仅准确高效,甚至还可以定位到具体的每一本书。

图书馆的另一个常见问题是书籍被毁坏,据报道,仅2004年五一黄金周七天,国家图书馆被毁图书就达几万元。况且有些孤本善本书籍更加无法用金钱来衡量对其造成的损失。长期以来,国际上对此还没有一种简单的解决方法。现在,利用RFID可较好地改善这一问题。因为每一本书都有不同的物理特性,在图书借阅时先利用RFID测量书的物理特性并将其存储到电子芯片中,在图书归还时再检测一次书的物理特性,通过书的物理变化判断其是否被破坏。从而达到保护书籍的目的。

3)为盲人、儿童等特殊群体提供服务。RFID技术的引进,使得盲人、儿童等特殊群体使用图书馆资源成为可能,保障了他们的合法权益,同时,这也是图书馆人性化服务的具体表现。

3 RFID在图书馆领域的应用现状及图书馆应用RFID的问题与前景

3.1 应用现状

图书馆为了不断地适应社会发展的趋势,在现代社会中更好的为大众服务,必须积极的引入先进的理念来完善自己的各项工作。早在2002年新加坡国家图书管理局就发布了当时世界上首个全面部署RFID的图书管理系统,馆内带RFID标签的馆藏涵盖各类图书、杂志、音像制品等。在其影响下,美国、英国、荷兰、澳大利亚等国家的图书馆也于近年相继采用了该项技术。但在国内,目前尚无一家图书馆系统的采用过RFID技术。

3.2 存在的问题

诚然图书馆领域采用RFID技术毫无疑问可以大幅度的提高其工作质量和效率,但在实际应用中也必须承认RFID还存在着不少问题,这些问题将阻碍RFID技术的广泛普及与应用。

1)成本问题。电子标签的高成本时这一技术大规模推广的最大障碍。目前,一个RFID标签的最低价格折合人民币大约在2元左右,而一个RFID阅读器的价格则在1000美元以上。显然,这样的价格对多数图书馆来说是难以承受的。

2)技术的瓶颈问题一个不争的事实是,目前的RFID技术在不同程度上还存在着误读或漏读的问题,据相关调查显示,即使贴上双重标签,RFID标签仍有3%无法判读。这也是RFID技术急需解决的问题。

3)隐私与安全问题。RFID的隐私与安全问题一直备受关注,原因在于大多数RFID标签并不懂得如何确认阅读器的合法身份。在这种情况下,存放在RFID标签上的资料会较容易地被未经受权的非法阅读器所读取,从而对携卡人的隐私构成威胁。

4)失业问题。随着RFID技术逐步进入图书馆,原来多数由人工完成的工作将进一步被RFID所取代,其带来的直接后果就是使得一部分人面临着失业的危机。

3.3 RFID技术在图书馆的应用前景

尽管在实际应用中存在着上述种种问题,但由于图书馆的应用环境相对稳定,数据也较为简单,使得在图书馆大力推行该项技术成为可能。在各方面努力下,上述问题必将得到有效的解决:

1)标签价格的降低以及工艺的提高。随着RFID技术的不断普及和厂家生产规模的扩大,标签价格将得到有效的降低,而且随着生产工艺的提高,标签价格也必将进一步降低。

2)采用更先进的技术及相关法律来保证隐私的安全。目前,大部分的RFID厂家已意识到标签资料保密的重要性,一些厂商对RFID的隐私问题作出了很大的努力,并提供了多种行之有效的解决方案,如a)使用探测器探测其他RFID阅读器的存在,以防资料被非法读取;b)为RFID标签编程,使其只能与已授权的RFID阅读器通信;c)采用更强的密码功能等等。此外,还可通过制定相关法律来保护隐私权。

3)图书馆员的新定位。RFID技术的引进,使得图书馆的员工编制更加精简,图书馆员从传统的找书、借书、整理图书、人工排架的繁杂劳动中解放出来,有更多的时间学习专业知识技能,可将更多的精力致力于提高图书馆的整体竞争力与个人综合素质上,为客户提供更为出色的服务。

4 结束语

作为一项新兴的技术,RFID在其发展过程中不可避免地存在着不少困难与问题。但其巨大的发展潜力也是可以预见的。国内的图书馆应该勇于抓住机遇,大胆迎接挑战。结合自身实际,制定切实可行的方案,一方面加大理论的研究,一方面开展实际运用。相信在不久的将来,RFID技术在我国的图书馆领域将取得非常好的成效。

参考文献

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[4]Tom Coyle.Market Trends:Material Control RFID and the Mainstream Supply chain[J].Material Handling Management,2003,58(9):40-50.

篇4：RFID技术原理及其射频天线设计

DRID

无线射频识别（RFID，RBdio Frequency Identification）技术是一项非接触式自动识别技术，它通过空间耦合（交变磁场或电磁场）自动识别目标对象并获取相关数据，以达到目标识别和数据交换的目的，识别工作无需人工干预。

AFID系统的基本工作原理可以通过图1进行阐述：阅读器将要发送的信号，经编码后加载在某一频率的载波信号上由天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，标签内芯片中的有关电路对此信号进行解调，解码、解密，然后对命令请求，密码，权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码，调制后通过电子标签内天线再发送到阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调，解码，解密后送至中央处理系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPRQM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

RFID系统的应用范围

国际物联网时代即将到来，据悉，RFID技术已在欧美市场广泛应用，随着中国市场RFID技术的日趋成熟和RFID标签价格的降低，RFID电子标签将替代传统的一维条形码和二维码。如果说二维码是一维码标签的延伸，那RFID的诞生就是标签行业的一场革命。其应用领域主要在以下方面：

1.物流管理

物流是RFID最大的市场应用空间，可以极大地提高物流环节的效率，并为实现零库存提供技术保障。全球零售业巨头沃尔玛以及德国麦德龙极力推广RFID标签的应用，均已实现在超市中利用RFID技术来实现产品识别、反偷窃，实时库存和产品有效期控制。

2.食品安全

食品安全问题是一个国家的民生大事，RFID技术可以通过对食品原来的种植或养殖过程进行全程的管理记录以及对食品流通的环节进行正向跟踪和逆向追溯，全方位保证食品安全。

3.商品防伪一

商品防伪能保障正常的市场秩序与消费信誉，具有巨大的市场空间。采用RFID防伪技术与无线通讯网络可以在任何时间、任何地点实现商品的质量检验，目前已在烟、酒。医药等商品上进行试点。

4.其他领域的应用

RFID具有着非常广泛的应用空间，比如在交通管理，军品管理、安防，动物养殖与宠物管理，图书馆管理等领域，都具有巨大应用前景。

RFID标签天线制备技术

影响RFID推广的核心问题在于芯片技术以及成本。如图2所示，RFID电子标签主要由底材、天线及芯片组成，天线层是主要的功能层，其目的是传输最大的能量进出标签芯片。与传统蚀刻法，绕线法相比，标签天线的直接印制法大大节约了成本。

1.标签天线的传统制造工艺

①采用蚀刻方式加工制备标签天线

天线在蚀刻前应先印刷上抗蚀膜，首先将PET薄膜片材两面覆上金属（如铜、铝等）箔；然后采用印刷法（丝网印刷，凹印等）或光刻法，在基板双面天线图案区域印刷抗蚀油墨，用以保护线路图形在蚀刻中不被溶蚀掉：然后进行蚀刻，即将印刷油墨图案已固化的片材浸入蚀刻液中，溶蚀掉未印刷抗蚀油墨层区域的金属；然后再去除薄膜片材天线图案金属层上的抗蚀刻油墨，这样就得到了标签天线。或者采用光刻法，在覆铜基板表面预先涂布光敏抗蚀膜，并用相应的掩膜覆合曝光，经过显影腐蚀，除去版上残留抗蚀膜，就得到一个完整的天线图形。

②绕线法制备标签天线工艺

目前。铜导线绕制RFID标签天线的制造工艺通常是使用自动绕线机进行，即直接在底基载体薄膜上绕上涂覆了绝缘漆，并使用低熔点烤漆的铜线作为RFID标签天线的基材，最后用黏合剂对导线与基材进行机械固定。其工艺流程如图4所示。该方法可靠性较高，但对于RF19电子标签来说成本太高。

2.标签天线印制工艺

基于传统标签天线制备方法中存在的污染环境、成本较高的弊端，且工艺复杂，成品制作时间长，必将被新的工艺所替代。采用印刷方式直接印制RFID标签天线是一种环保节能、低成本的制造工艺。现有可行的印制RFID标签天线的印刷方式有丝网印刷和喷墨印刷。

①丝网印刷法制备天线

丝网印刷是使用模版直接印刷的过程，即用导电油墨直接印刷在纸基或塑料薄膜卷材上，其一般工艺流程为：

标签天线的丝网印刷就是把导电油墨由网版的另一侧以刮板将油墨扫压过网版，而油墨则穿透过网版上天线图样的网孔间隙，粘印在被印刷的底材上。在进行RFID的标签天线印刷时，由于不同工作频率的RFID标签的天线线圈将对应不同的圈数，线圈厚度和每一圈之间的距离（如HF波段使用13.56MHz的芯片，通常它要求线圈圈数为6，厚度约为20um：UHF波段使用868MHz和950MHz的芯片，线圈截面厚度约为4um），故所印刷的墨层厚度、每一道线的宽度和干燥后的图形轮廓都有严格的允差范围（如两次重叠套印的误差必须在0.1mm之内）。

网版印刷的墨层厚度最多可以达到100um，是柔印、胶印和凹印的几倍，这对于用导电油墨印刷标签天线是十分有利的。在实际印刷电路生产中，墨层厚度的要求一般在8～12um，其干燥则可以采用UV，IR及热风等方式来完成。

②喷墨印刷法制备天线

丝网印刷在一定程度上节约了成本，但其油墨采用70%左右的高银含量的导电银浆，得到15～20um之间的天线，属于厚膜印刷方式，成本高，且印刷过程中有溶剂排放，墨层柔顺性较差。采用喷墨打印机制备导电线路，只需要根据计算机系统设计的图案，由喷墨打印机的喷头将导电墨水喷涂到基板上而形成导电线路。喷墨印刷方式作为非传统印刷，在天线制作方面由于其制作周期短、无污染、成本低等特性被广泛关注。国内外很多知名院校、研究所长期致力于喷墨导电墨水的研究，取得了显著的成就。北京印刷学院以李露海教授为带头人的科研团队成功研制出导电膜厚度在1um左右，电阻达到1Ω左右的喷墨导电墨水：美国Kovio公司在2008年推出了用喷墨打印纳米硅墨水制备的FFD，成为喷墨打印墨水第一个商业成功的案例；韩国顺天大学2009年研制出基于碳纳米管墨水的全印刷1-bit射频标签。

采用喷墨印刷来进行RFID标签的制作可分为3种方式：①使用喷墨印刷方式把抗蚀油墨、阻焊油墨和字符油墨等喷射到覆铜板上，经过固化后得到成品；②采用含有纳米金属颗粒的导电墨水直接将电路图形喷在聚酯片基上，经过低温烧焙固化，形成电路：③通过采用相应特性的墨水，采用喷墨印刷的方法制造RFID标签中的电容器及电阻器等电子器件。与传统的印刷方式相比。采用喷墨印刷的方式可以达到更快的生产速度，印刷成本也有所降低，更重要的是能够增加其布线密度，从而提高成品质量。

展望

RFID标签以其独特的优势，逐渐应用在各个领域。人们致力于研究解决传统制备方式存在的弊端，喷墨印刷作为标签天线新技术，依托成本低、导电性好，无污染以及天线图案易控制等优点，将使RFID技术得到更广泛的应用。

篇5：RFID技术原理及其射频天线设计

关键词：RFID,射频识别,标签,阅读器,射频卡,非接触

1. RFID的含义及原理

1.1 RFID的含义

RFID是英文“Radio Frequency Identification”的缩写, 中文则称为无线射频身份识别, 是近几年发展起来的一项新的自动识别技术。无线射频识别技术是21世纪最具发展潜力的技术之一, 因而是今后发展的一个重点。

1.2 RFID系统的基本工作原理

阅读器通过天线发送一定频率 (射频) 的电磁波, 这个电磁波以一个球形波向前传播。由于标签或卡片内有一个LC谐振电路, 其频率与阅读器发射的频率相同。当射频卡或附着在物体上的标签进入阅读器天线的工作区域时, 在电磁波的激励下, LC谐振电路产生共振, 从而使电容C1内有了电荷, 并送C2贮存。当所积累的电荷达到约2V时, 此电容可作为电源为其它电路提供工作电压, 并将卡内数据从天线发射出去或接取阅读器的数据。当阅读器接收到从射频卡发送来的数据信号后, 便对接收的信号进行解调和解码, 并进行错误校验来决定数据的有效性。然后, 通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送到后台主计算去进行相关处理, 并针对不同的设定做出相应的处理和控制, 发出指令信号控制执行机构动作。

RFID系统在实际应用中, 电子标签是附着在待识物体的表面的, 而电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据, 从而达到自动识别物体的目的。

RFID系统的读写距离是一个很关键的参数。影响读写距离的因素包括天线的工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度、射频卡本身获得的能量以及发送信息的能量等。一般, 系统的读取距离和写入距离是不同的, 写入距离大约是读取距离的40%~80%。

2. RFID的应用范围

RFIDR的应用范围相当广泛, 最常见的应用领域有:

2.1 用于门禁保安管制

射频卡可用于门禁保安系统, 且一卡可以多用。如可作工作证、出入证、停车卡、宾馆住宿卡以及旅游护照等。其目的都是为了识别人员的身份、安全管理与收费等。其好处是为了简化出入手续, 提高工作效率、安全保护等。一般, 只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡, 进出入口有一台读写器, 人员出入时就会自动识别身份, 非法闯入者会报警。在安全级别要求高的地方, 还可以结合人体生物特征识别, 如指纹、掌纹、人脸等特征存入射频卡。

企、事业单位或家庭还可将射频卡 (电子标签) 用来保护和跟踪财产。一般, 将电子标签贴在物品上面, 如贴在计算机、传真机、复印机、重要文件资料或其它实验室设备与用品等上。这就可以自动跟踪管理这些有价值的财产, 可以跟踪一个物品从某一建筑物离开, 或者是用报警的方式限制物品离开某地, 结合GPS定位系统还可以对货柜车、货舱等进行有效的跟踪。

2.2 用于汽车防盗

用于汽车防盗系统一般采用二种方法:

(1) 将含有特定码字的射频卡封装到汽车钥匙当中, 读写器装在汽车上。当这种钥匙插入到点火器中时, 读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的特定信号, 汽车的引擎将不会发动。显然, 这种电子验证的方法, 使汽车的中央计算机容易防止短路点火。

(2) 司机自己带射频卡, 读写器安装在座椅的背部, 发射范围至少在司机座椅55厘米内。当读写器读取到有效的ID号时, 系统发出三声鸣叫, 然后汽车引擎才能启动。如果司机离开汽车, 且车门敞开引擎也没有关闭, 这时读写器就需要读取另一有效ID号;若司机将射频卡带离汽车, 读写器读不到有效ID号, 引擎就会自动关闭, 罪犯想开就触发报警装置。

2.3 用于电子物品监视系统EAS

电子物品监视系统即EAS (Electronic Article Surveillance) 的目的是防止商品被盗。该系统包括贴在物体上的一个内存容量仅为1比特 (即开或关) 的射频卡 (或称电子标签) 以及安置在超市出口处的读写器。如果商品已付钱购买, 销售人员会用专用工具拆除电子标签 (尤其服装) , 或用磁场来使标签失效, 或直接破坏标签本身的电特性;若商品未付钱想拿出超市, 会被读写器探测到, 并同时报警。显然, 这种EAS系统会被广泛使用。

3. RFID技术在国内外的发展

RFID技术实际上并不是一项全新的技术, 早在二战时它就被美军用于战争中识别自家和盟军的飞机, 但自2003年这项技术又开始被众人所追捧。由于RFID技术应用广泛, 被列为本世纪十大重要技术项目之一, 因此世界各国都在全力发展。由一些统计数字说明, 在过去十年中, 已有6000多种关于RFID技术方面的专利申请。下面将这一技术在国内外的发展现况作一简介。

3.1 RFID技术在国外的发展

RFID技术在国外发展很快, 目前RFID产品的种类很多, 如德州仪器、Motorola、Phllips、Microchip等世界著名厂家都生产有RFID产品, 且它们的产品各有特点, 自成系列。现在, RFID技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。如汽车、火车等交通监控;高速公路不停车自动收费系统;停车场管理系统;流水线生产自动化;物品管理;仓储管理;动物管理;车辆防盗;安全出入检查等。

全世界最成功的非接触式多功能智能卡, 其应用范围包括停车场、快餐店、便宜商店、自动贩卖机、电影院、游泳池、住宅、保全系统及校园通系统等, 真正做到“一卡在手, 四通八达。”据有关权威数据显示, RFID产品在1992~1999年间在全世界的销售额的年平均增长率达25.3%, 由此可见, 它具有广阔的市场前景。

3.2 RFID技术在国内的发展 (下转第40页)

我国政府在1993年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的10年规划, 是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。由此, 各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。2004年2月, 中国电子标签国家标准工作组成立, 它将负责起草、制定中国有关电子标签的多项国家标准, 并将在年底前尽快出台自主电子标签国家标准。如何让国家标准与未来的国际标准相互兼容, 让贴着电子标签的中国产品顺利地在世界范围中流通, 是当前重要而急切需要解决的问题。

国内已有几家公司在引进国外的先进技术开发自己的RFID系统。目前, 在锦山一条高速公路上已应用了非接触式射频卡自动收费。上海的公共汽车使用了电子月票。北京的机场高速公路上、深圳的皇岗口岸也使用了RFID系统。此外, 中山市阳光制锁厂也已开发出了RFID锁等。

随着经济交流, 旅游的发展, 我国高速公路发展势头十分强劲, 因而仅对自动收费系统的需求就会日益增长。尤其我国的国土面积大、公路多、车辆多, 予计在未来十年内将有数十亿元的需求。虽然, RFID技术在国内属起步阶段, 但它发展潜力大, 只要我们引起重视, 定会迎头赶上。

参考文献

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