Forskning om UHF RFID-antenndesignteknik

0 Förord

Tillämpningen av RFID-Teknik för radiofrekvensidentifiering (Radio Frequency Identification, RFID) har en lång historia. Det kan spåras tillbaka till det flygplansidentifikationssystem som användes av det brittiska flygvapnets flygplan under andra världskriget. På senare tid har RFID-radiofrekvensidentifieringsteknik använts i stor utsträckning inom föremålshantering, fordonspositionering och underjordisk personalpositionering. Denna teknik är en beröringsfri automatisk identifieringsteknik, som använder radiofrekvenssignaler för att uppnå kontaktlös informationsöverföring genom rumslig koppling (växelmagnetfält eller elektromagnetiskt fält) och uppnår syftet med automatisk identifiering genom den överförda informationen.

1 Översikt över RFID-radiofrekvensteknik

1.1 Grundläggande sammansättning av RFID trådlöst identifieringssystem

Det trådlösa RFID-identifieringssystemet består huvudsakligen av elektroniska RFID-taggar, RFID-läsare, antenner och värddatorhanteringssystem. Informationen mellan den elektroniska RFID-taggen och RFID-läsaren överförs trådlöst, så det finns trådlösa transceivermoduler och antenner (induktionsspolar) mellan dem. Effektdiagrammet visas i figur 1.

Forskning om UHF RFID-antenndesignteknik

(1) RFID elektronisk etikett (Tag): RFID elektronisk etikett är databäraren för radiofrekvensidentifieringssystemet. Varje RFID-bricka består av kopplingselement och chips och har en unik elektronisk EPC-kod (Electronic ProductCode), som är fäst vid objektet för att identifiera målobjektet. Jämfört med traditionella streckkoder kan EPC-koder inte bara spegla en viss typ av produkt, utan också vara specifika för en viss produkt.

(2) RFID-läsare (läsare): Läsaren är en enhet som kan läsa eller skriva elektronisk tagginformation. Dess grundläggande funktion är att överföra data med taggen. Den kan utformas som en handhållen läsare eller en fast läsare.

(3) Antenn (antenn): överför radiofrekvenssignaler mellan taggen och läsaren.

1.2 Arbetsprincip för RFID-system

Efter att den elektroniska RFID-taggen kommer in i magnetfältet som sänds ut av RFID-läsaren, tar den emot radiofrekvenssignalen som sänds av läsaren och skickar ut produktinformationen (passiv tagg, passiv tagg eller passiv tagg) som Lagras i chipet med hjälp av energi som erhålls av den inducerade strömmen, eller Taggen sänder aktivt en signal med en viss frekvens (Active Tag, Active Tag eller Active Tag), och avkodaren läser och avkodar informationen och skickar den sedan till det centrala informationssystemet för relevant data bearbetning. Det schematiska diagrammet över radiofrekvensidentifieringsprocessen visas i figur 2.

2 RFID-taggantennprestandaindex

Det är inte svårt att se från identifieringsprocessen för RFID-systemet att antennen spelar en viktig roll som en brygga för RFID-läsaren för att sända radiofrekvenssignaler mellan den elektroniska RFID-taggen och RFID-läsaren i processen att känna av RFID-elektroniken. märka. RFID-läsarantennen, Prestandan hos den elektroniska RFID-taggantennen är av stor betydelse för att förbättra prestandan för hela identifieringssystemet. Eftersom den elektroniska RFID-taggen är fäst på det markerade objektet, kommer den elektroniska RFID-taggantennen att påverkas av det markerade objektets form och fysiska egenskaper. Påverkande faktorer inkluderar materialet för det markerade föremålet, arbetsmiljön för det markerade föremålet, etc. Dessutom, i RFID-radiofrekvensenheten, när driftsfrekvensen ökar till mikrovågsområdet, blir matchningsproblemet mellan antennen och den elektroniska RFID-enheten tag-chip blir allvarligare. Dessa faktorer har ställt högre krav på designen av RFID-antenner för elektroniska taggar, men också medfört stora utmaningar.

Antennen är en enhet som tar emot eller utstrålar kraften från front-end radiofrekvenssignalen i form av elektromagnetiska vågor. Det är en enhet i gränssnittet mellan kretsen och rymden och används för att realisera energiomvandlingen mellan den guidade vågen och den fria rymdvågen. De nuvarande trådlösa RFID-radiofrekvenssystemen är huvudsakligen koncentrerade till lågfrekventa, högfrekventa, ultrahöga frekvensband och mikrovågsfrekvensband. Principerna och designen för RFID-systemantenner i olika driftsfrekvensband är fundamentalt olika:

(1) Riktningsegenskaper

Antennstrålningen är riktad. Sambandskurvan mellan strålningens amplitud och riktningn fält kallas riktningsdiagrammet, vilket faktiskt är förhållandeskurvan för fältstyrkan vid en punkt i valfri riktning av fjärrfältsfältet i samma riktning. Riktningsdiagrammet hänvisar generellt till det normaliserade riktningsdiagrammet, det vill säga förhållandekurvan i samma riktning som förhållandet mellan fältstyrkan vid en punkt i valfri riktning av fjärrfältsfältet och det maximala fältet på samma avstånd.

(2) Direktivitetskoefficient

Direktivitetskoefficienten är en parameter som används för att indikera i vilken grad antennen strålar ut elektromagnetiska vågor i en viss riktning. Riktningskoefficienten för varje riktad antenn hänvisar till förhållandet mellan den totala strålningseffekten för den icke-riktade antennen och den totala strålningseffekten för den riktade antennen under villkoret med lika elektrisk fältstyrka vid mottagningspunkten. Enligt denna definition, eftersom strålningsintensiteten hos den riktade antennen varierar i alla riktningar, varierar också antennens riktningskoefficient med observationspunktens position. I den riktning där det elektriska strålningsfältet är störst är riktningskoefficienten också störst. I allmänhet är riktningskoefficienten för en riktad antenn riktningskoefficienten för den maximala strålningsriktningen, det vill säga på ett visst avstånd från antennen är strålningseffektflödestätheten Smax för antennen i den maximala strålningsriktningen densamma som den av en idealisk icke-riktad antenn med samma strålningseffekt Förhållandet mellan strålningseffektens flödestäthet Så på samma avstånd betecknas D.

(3) Antenneffektivitet

Antenneffektivitet är ett index som används för att mäta effektiviteten hos en antenn vid omvandling av energi. Antennens effektivitet är alla mindre än 1, vilket innebär att en del av antennens ineffekt omvandlas till utstrålad effekt, och en del av den går förlorad. Antenneffektivitet definieras som förhållandet mellan antennstrålningseffekt och ineffekt, betecknad som ηA.

(4) Antennförstärkning

Antennkoefficienten reflekterar endast den mest koncentrerade graden av antennstrålningsenergin, och antennförstärkningen reflekterar inte bara antennens strålningsförmåga, utan tar också hänsyn till antennens förlustfaktor. Under villkoret för samma ineffekt, förhållandet mellan den utstrålade effekttätheten S(θ, φ) för riktningsantennen i en viss riktning (θ, φ) i rymden och den utstrålade effekttätheten So för den förlustfria punktkällantennen i denna riktning kallas antennens förstärkning, betecknad som G(θ, φ).

Förstärkningskoefficienten är en parameter som heltäckande mäter energiomvandlingen och riktningsegenskaperna för den stora linjen. Det är produkten av riktningskoefficienten och antenneffektiviteten, som betecknas som G, nämligen:

G=D·ηA

För UHF- och mikrovågs RFID-radiofrekvensidentifieringssystem är antennens förstärkning begränsad på grund av den lilla ytan av den elektroniska RFID-taggennen. Mängden förstärkning beror på typen av antennstrålningsmönster.

(5) Impedansegenskaper

Ingångsimpedansen för en antenn kan uttryckas som förhållandet mellan spänning och ström vid antennmatningspunkten, vanligtvis som en funktion av frekvensen. Impedansen för RFID-antennen bör utformas för att vara 50 Ω eller 70 Ω för att uppnå impedansmatchning med den konventionella mataren. RFID-antennen är ekvivalent med läsarens terminalbelastning och utgången från den elektroniska taggen, och ingångsimpedansen Zin definieras som förhållandet mellan antennens inspänning och inströmmen Io.

Den utstrålade effekten P∑ från RFID-antennen är ekvivalent med förlusten i en ekvivalent impedans. Denna ekvivalenta impedans kallas strålningsimpedansen Z∑,

3 Slutsats

Med det kontinuerliga förtydligandet av applikationskraven för RFID trådlös radiofrekvensteknik och den kontinuerliga expansionen av applikationsområdet har designen och forskningen av antennen som en nyckelkomponent i RFID-systemet blivit mycket brådskande och brådskande. Antennteknik är en av nyckelteknologierna i RFID-systemet, och den har teoretisk betydelse och praktiskt värde för mognad och bred tillämpning av RFID-teknik.