RFID技术简介（三）
资料来源:印艺297期/2008年9月 作者：林和安
10．RFID天线
RFID天线在卷标和读取器间传递射频信号。在RF装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与卷标芯片之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是传输最大的能量进出卷标芯片。这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的卷标芯片的匹配。
作为RFID天线，必须具有如下特征：
足够的小以至于能够贴到需要的物品上
有全向或半球覆盖的方向性
提供最大可能的信号给卷标的芯片
无论物品什么方向，天线的极化都能与卡片阅读机的询问信号相匹配
具有鲁棒性（即控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的特性）
非常便宜
在选择天线的时候的主要考虑是：
天线的类型
天线的阻抗
在应用到物品上的RF的性能
在有其它的物品围绕贴卷标物品时的RF性能
1）可选的RFID天线
RFID 天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3 种基本形式。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。
对线圈型天线而言，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。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。
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。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。
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) ，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。
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。
2）阻抗问题
为了最大功率传输，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。一个缝隙天线可以设计具有几百奥姆的阻抗，一个折迭偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的20倍，印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽范围的阻抗(通常是40 到100奥姆)。因此，选择天线的类型，以至于它的阻抗能够和卷标芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。另一个问题是其它的与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗。对于全向天线，例如双偶极子天线，这个影响是显著的。
3）局部结构的影响
在使用手持的仪器的时候，大量的其它临近物体的使卡片阅读机天线和卷标天线的辐射模式严重失真。对于2.45GHz的工作频率计算，假设一个代表性的几何形状，和自由空间相比，返回信号可能降低10dB，在双天线同时使用的时候，比预料的模式下降的更多。在仓库的使用环境下，几个标签贴在一个盒子上以确保所有时候都有一个标签是可以看见的，但带来几个天线的问题。
4）辐射模式
在一个无反射的环境中测试天线的模式，包括了各种需要贴卷标的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属听引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离50mm的时候，反回的信号下降大于20dB。天线与物体的中心距离分开到100—150mm的时候，反回信号下降约10 到12dB。在与天线距离100mm的时候，测量了几瓶水（塑料和玻璃），反回信号降低大于10dB。在蜡纸盒的液体，甚至苹果上做试验得到了类似的结果。
5）距离
RFID天线的增益和是否使用有源的卷标芯片将影响系统的使用距离。乐观的考虑，在电磁场的辐射强度符合相关标准时，2.45GHz 的无源情况下，全波整流，驱动电压不大于3伏，优化的RFID天线阻抗环境(阻抗 200 或300欧)，使用距离大约是1米。这些限制了卡片阅读机到标签的电磁场功率，作用距离随着频率升高而下降，如果使用有源芯片作用距离可以达到5到10米。
11．射频卷标通信协议
射频卷标与读写器之间交换的是数据，由于采用无接触方式通信，还存在一个空间无线信道。因而，射频卷标与读写器之间的数据交换构成的是一个无线数据通信系统。在这样的数据通信系统模型下，射频卷标是数据通信的一方，读写器是通信的另一方。要实现安全、可靠、有效的数据通信目的，数据通信的双方必须遵守相互约定的通信协议。没有这样一个通信双方公认的基础，数据通信的双方将互相听不懂对方在说什么，步调也无从协调一致，从而造成数据通信无法进行。所涉及到的问题包括：时序系统问题；通信握手问题；资料帧问题；数据编码问题；数据的完整性问题；多标签读写防冲突问题；干扰与抗干扰问题；识读率与误码率问题；数据的加密与安全性问题；读写器与应用系统之间的接口问题。
12．射频卷标内存信息的写入方式
射频卷标信息的写入方式大致可以分为以下三种类型
1）射频标签在出厂时，即已将完整的卷标信息写入卷标。这种情况下，应用过程中，射频卷标一般具有只读功能。只读卷标信息的写入，在更多的情况下是在射频卷标芯片的生产过程中即卷标信息写入芯片，使得每一个射频标签拥有一个唯一的标识UID。应用中，需再建立标签唯一UID与待识别物品的标识信息之间的对应关系（如车牌号）。只读卷标信息的写入也有在应用之前，由专用的初始化设备将完整的卷标信息写入。
2）射频卷标信息的写入采用有线接触方式实现，一般称这种卷标信息写入装置为编程器。这种接触式的射频卷标信息写入方式通常具有多次改写的能力。卷标在完成信息注入后，通常需将写入口密闭起来，以满足应用中对其防潮、防水、防污等要求。
3）射频标签在出厂后，允许用户通过专用设备以无接触的方式向射频卷标中写入数据信息。这种专用写入功能通常与射频卷标读取功能结合在一起形成射频标签读写器。具有无线写入功能的射频卷标通常也具有其唯一的不可改写的UID。这种功能的射频卷标趋向于一种通用射频标签，应用中，可根据实际需要仅对其UID进行识读或仅对指定的射频卷标内存单元（一次读写的最小单位）进行读写。
应用中，还广泛存在着一次写入多次读出WORM（Write Once Read Many）的射频标签。这种WORM概念即有接触式改写的射频标签存在，也有无接触式改写的射频标签存在。这类WORM标签一般大量用在一次性使用的场合，如航空行李卷标，特殊身份证件卷标等。无论是怎样的情况，对射频标签的写操作均应在一定的授权控制之下进行。否则，将失去射频标签标识物品的意义。
13．RFID的封装
RFID产品的封装形式一般分三大类：卷标、注塑、卡片。
1）标签类
带自粘功能的卷标，可以在生产在线由贴标机揭贴在箱、瓶等物品上，或手工粘在车窗（如出租车）上。产品结构由面层、芯片线路（INLAY）层、胶层、底层组成。面层可以用纸、PP、PET作覆盖材料（印刷或不印刷）等多种材质作为产品的表面；芯片线路（INLAY）有多种尺寸、多种芯片、多种EEPROM容量，可按用户需求配置后定位在带胶面，胶层由双面胶式或涂胶式完成。
2）注塑类
可按应用不同采用各种塑料加工工艺，制成内含Transponder的筹码、钥匙牌、手表等异形产品。
3）卡片类
一种是PVC卡片，相似于传统的制卡工艺即印刷、配芯片电路、层压、冲切。可以符合ISO-7810卡片标准尺寸，也可按需加工成异形。
另一种是纸、PP卡，由专用设备完成，它在尺寸、外形、厚度上并不作限制。结构为面层（卡纸类）、芯片线路层、底层（卡纸等）粘合而成。
[结语]
在印刷领域，RFID已逐渐替代传统的条形码标签。专家预测，R F I D 技术能在未来几年对包装、防伪印刷和纸张产生重要影响。对于印刷领域来说，在RFID生产中，可利用印刷技术生产RFID的天线，以及研发中印制芯片的部分等，这些都给印刷业带来新的发展契机。RFID在物流、管理方面的应用目前已越来越多，在国外，美国最大的零售商沃尔玛确定于2005年1月开始要求上游百大供货商在供货的货栈上加入RFID，2006年底全面使用RFID，在国内，如像是宠物、动物植入的动物识别芯片，搭乘地铁(捷运)使用的八达通 OCTOPUS（智能卡）、许多公司使用的非接触门禁卡等等，都可以看到R F I D 的实际应用在生活之中，因此可以了解到RFID的需求面、应用面是越来越大。
本文是从电子爱好者的角度简述了RFID相关知识，限于篇幅有限，不再进一步详细探讨。希望本文的介绍对大家有所帮助。（全文完）