射频识别(RFID)系统天线设计及阻抗测量方法

UHF频段RFID近场天线的阻抗测量
 超高频(UHF)频段的射频识别(RFID)近场读写器天线(NFRA)由于其在单品识别方面应用的潜力，对环境的不敏感性和比HF 天线更高的读写速度，正引起多方面的关注。

UHF 频段的NFRA 通常采用带有平衡端口的电大环结构来实现。

 对于NFRA 来说，良好的匹配网络是至关重要的[2,3]。

通常UHF 频段的NFRA 天线都被设计成安装在金属腔体里来减小环境对天线性能的影响，如图1 所示。

但是由于金属腔体的存在，天线的阻抗会随频率的变化而剧烈变化，这将导致在仿真软件中得到的阻抗值不够精确，在此不精确的阻抗基础上很难设计出性能良好的匹配网络。

通常，我们将NFRA 的设计分成3 个步骤：
1. 首先是环天线的设计和加工;
2. 第二步是环天线阻抗的测量;
3. 第三部是匹配网络的设计以及匹配网络和环天线的联合仿真在这篇文。

用于RFID系统的天线设计RFID（无线射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线电波传输信息，实现物品的自动识别和追踪。

RFID系统主要由标签和阅读器组成，而天线则是连接标签和阅读器的关键组件。

天线的设计对于RFID系统的性能和可靠性有着至关重要的影响。

RFID系统通过无线电波进行通信，通常使用的是56 MHz的频率。

标签内置天线，用于接收来自阅读器的信号，并将信号传输到芯片中。

阅读器则通过天线发送信号，同时接收来自标签的信号。

图像处理技术也常常被用于RFID系统，以识别和解析标签上的信息。

天线设计是RFID系统设计的关键部分，主要包括以下步骤：方案选择：首先需要确定天线的类型和结构，根据应用场景的不同，可以选择不同的天线方案。

参数确定：在设计过程中，需要确定的参数包括天线的频率、增益、阻抗、波束宽度等。

这些参数的计算和选择将直接影响天线的性能。

设计仿真：利用仿真软件对设计进行模拟和分析，以验证设计的可行性和性能。

实验验证：制作样品，进行实际测试，以验证设计的有效性和可靠性。

在RFID系统的天线设计中，可能会遇到以下技术难题：阻抗匹配：天线与标签和阅读器之间的阻抗匹配是影响信号传输的重要因素。

如果阻抗不匹配，将会导致信号传输效率降低，甚至无法传输。

信号噪声比较：在复杂的电磁环境中，信号可能会受到各种噪声的干扰，如何提高天线的信噪比是一个关键问题。

针对以上技术难题，以下是一些可能的解决方案：采用全向波瓣天线或圆形天线：这些类型的天线具有较好的阻抗匹配特性，可以有效提高信号传输效率。

优化天线结构：通过改变天线的结构，可以改善天线的电气性能，减少信号噪声的影响。

使用滤波技术：滤波技术可以有效地抑制噪声，提高信号的信噪比。

天线设计在RFID系统中具有至关重要的地位。

正确的天线设计可以保证RFID系统的高性能和可靠性，进而广泛应用于供应链管理、门禁系统、支付系统等领域。

本文介绍了RFID系统和天线的基本原理、设计流程以及可能遇到的技术难题和解决方案。

RFID抗金属标签天线设计及测量开题报告一、研究背景随着智能物联网技术的快速发展，RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术被广泛应用于物流、库存管理、跟踪等领域。

然而，RFID技术在应用中会受到环境影响，其中尤以金属干扰最为常见。

由于金属材质具有良好的导电性，会引发RFID技术的信号反射、干扰和信号丢失等问题，从而影响RFID技术的正常应用。

为了解决RFID技术在金属环境下的应用问题，需要开发设计一种能够有效抵抗金属干扰的RFID抗金属标签天线。

抗金属标签天线是一种新型的射频天线，具有可以消除金属反射信号的特点，因此能有效提高RFID技术在金属环境中的应用性能。

因此，本文将研究RFID抗金属标签天线的设计及测量，以提高RFID技术在金属环境下的应用性能。

二、研究内容1. RFID抗金属标签天线原理和设计本文将综合利用天线理论、电磁学原理和天线模型等知识，设计一种具有抗金属干扰特点的RFID标签天线，并对其原理进行解析。

同时，将根据实际应用需求，对标签天线的参数进行合理选择和优化，包括频率范围、天线大小、天线型号等。

2. RFID抗金属标签天线测量本文将利用天线测量技术，针对所设计的RFID抗金属标签天线进行实验研究。

针对天线的反射损耗、天线带宽、天线增益、阻抗匹配等关键参数进行测量、分析和优化。

通过实验数据的分析和处理，验证所设计的RFID抗金属标签天线的性能和实用性。

三、研究意义本文旨在通过对RFID抗金属标签天线的设计及测量研究，提高RFID技术在金属环境中的应用性能，为在物流、库存管理、跟踪等领域的RFID应用提供有效解决方案。

同时，还能促进天线理论研究的发展，丰富射频天线的设计和制造技术，提高射频天线的应用性能和效果。

四、研究方法本文将综合应用理论与实验相结合的方法，包括天线理论研究、天线仿真设计、天线制作、天线测量和实验数据分析等。

1. 天线理论研究通过图书文献和网络数据索引，汇总和阅读国内外有关RFID技术、抗金属标签天线和天线理论等方面的文献资料，了解相关技术的理论基础和发展现状。

本技术公开一种RFID高频天线电阻值测量系统及方法，该系统包括电阻测量仪、主机终端及打印机；所述电阻测量仪的测量端连接待测天线，输出端连接主机终端，用于测量待测天线的电阻值，并将测量数据输出给主机终端；主机终端用于接收并保存所述测量数据，将测量数据与预存的天线标准电阻值进行比较，根据比较结果判断测量数据在设定的标准范围内；所述打印机与主机终端连接，用于打印所有相关数据及主机终端的比较结果。

本技术能自动记录保存测量数据；能对测量数据和标准数据进行比较而得出结果；通过打印机手动将所需要的数据和结论打印出来，代替手动填写表格。

本技术测试准确高效，减少了生产设备的停机等待时间，提高了生产效率。

技术要求1.一种RFID高频天线电阻值测量系统，其特征在于，包括电阻测量仪、主机终端以及打印机；所述电阻测量仪的测量端连接待测天线，输出端连接所述主机终端，用于测量所述待测天线的电阻值，并将测量数据输出给所述主机终端；所述主机终端用于接收并保存所述测量数据，将所述测量数据与预存的天线标准电阻值进行比较，根据比较结果判断所述测量数据在设定的标准范围内，并予以显示；所述打印机与主机终端连接，用于打印所有相关数据及主机终端的比较结果。

2.根据权利要求1所述的RFID高频天线电阻值测量系统，其特征在于，所述电阻测量仪的输出端通过RS-232接口连接所述主机终端。

3.根据权利要求1或2任一项所述的RFID高频天线电阻值测量系统，其特征在于，所述主机终端选用电脑。

4.一种RFID高频天线电阻值测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S101、电阻测量仪测量待测天线的电阻值，并将测量数据输出给与其连接的述主机终端；S102、所述主机终端接收并保存所述测量数据，将所述测量数据与预存的天线标准电阻值进行比较，根据比较结果判断所述测量数据在设定的标准范围内，并予以显示；S103、打印机打印出所有相关数据及主机终端的比较结果。

5.根据权利要求4所述的RFID高频天线电阻值测量方法，其特征在于，所述电阻测量仪的输出端通过RS-232接口连接所述主机终端。

RFID电子标签天线设计指南之详细讲解1引言射频识别是一种使用射频技术的非接触自动识别技术，具有传输速率快、防冲撞、大批量读取、运动过程读取等优势，因此，RFID技术在物流与供应链管理、生产管理与控制、防伪与安全控制、交通管理与控制等各领域具有重大的应用潜力。

目前，射频识别技术的工作频段包括低频、高频、超高频及微波段，其中以高频和超高频的应用最为广泛。

2RFID技术原理RFID系统主要由读写器（target）、应答器（RFID标签）和后台计算机组成，其中，读写器实现对标签的数据读写和存储，由控制单元、高频通信模块和天线组成，标签主要由一块集成电路芯片及外接天线组成，其中电路芯片通常包含射频前端、逻辑控制、存储器等电路。

标签按照供电原理可分为有源（acTIve）标签、半有源（semiacTIve）标签和无源（passive）标签，无源标签因为成本低、体积小而备受青睐。

RFID系统的基本工作原理是：标签进入读写器发射射频场后，将天线获得的感应电流经升压电路后作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理，需要回复的信息则从标签存储器发出，经逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回读写器。

3RFID系统中的天线从RFID技术原理上看，RFID标签性能的关键在于RFID标签天线的特点和性能。

在标签与读写器数据通信过程中起关键作用是天线，一方面，标签的芯片启动电路开始工作，需要通过天线在读写器产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式。

因此，天线尤其是标签内部天线的研究就成为了重点。

3.1 RFID系统天线的类别按RFID标签芯片的供电方式来分，RFID标签天线可以分为有源天线和无源天线两类。

有源天线的性能要求较无源天线要低一些，但是其性能受电池寿命的影响很大：无源天线能够克服有源天线受电池限制的不足，但是对天线的性能要求很高。

UHF RFID标签的测试读写器发射的射频信号最大幅度的被标签接收，即标签天线与芯片阻抗满足共轭匹配，因此UHF频段的RFID芯片阻抗值直接决定了标签天线的设计；超高频的标签天线直接和芯片相连，标签天线一般为复数阻抗，因此，标签天线无法直接与网分的标准接头直连进行测试。

标签天线的阻抗测量方法探讨与传统的同轴线馈电的天线不同，超高频RFID标签天线直接与标签芯片相连。

因此，标签天线无法直接接上测试仪器的标准接头进行测量。

由于标签天线一般都是复数阻抗，无法采用50Q和70Q的标准网分的端口进行反射系数测量测量。

以外，对于偶极子类型的标签天线，测试接头接近天线时，会对标签天线的阻抗、辐射效率及方向图产生影响。

目前最常用的标签天线阻抗测试方法有：镜像法、巴伦测试法和测量线法。

镜像法测量镜像法主要针对对称型的偶极子标签天线，根据镜像法理论，一个靠近纯导电地平面的单极子的输入阻抗为相应偶极子输入阻抗的一半。

因此，可以在纯导电平面上测量偶极子标签天线的一半来计算整个标签天线的阻抗。

如图4.3所示的对称偶极子标签天线为例，可以将天线的一半放在一块很大的金属平板上，用SMA接头穿过金属平板对标签天线进行馈电。

测量时，网分直接连接到SMA接头即可。

测量图如图4.4所示。

测量所得的单极子天线的阻抗乘以2即偶极子标签天线的输入阻抗。

图4.3偶极子标签天线金属平板SMA接头图4.4镜像法测量示范当然，由于网分只校准到其接口的输出端面，对于采用SMA接头导致增加的相位变化，需要通过计算或仿真进行校正。

实际上，对称结构的标签偶极子标签天线的E面和H面也为对称型分布，在仿真时可以节省CPU计算的时间和内存消耗量，因此设计天线时，尽可能设计为对称结构的标签天线。

一方面方便仿真；另一方面也便于天线的测量[40]。

巴伦法测量弯折偶极子天线如图4.5所示，其属于平衡馈电天线，其测试架测试原理图如图4.6所示。

如果用同轴电缆馈电，还需要在天线和电缆间加入平衡/不平衡转换器—巴伦。

1引言RFID标签是RFID应用技术的主要组成部分，RFID标签的性能通常决定整个应用技术方案的有效性和实施性，因此RFID技术的实施中大多以解决RFID标签性能为主导。

标签的组成可分为芯片和天线两大组成部分，标签的性能及其性能分析也是从这两个组成部分展开。

然而在芯片型号定型后，天线的性能及与芯片的匹配性也就决定了标签的性能，因此天线的设计为标签设计主题部分。

目前关于RFID标签天线的设计已有较多的文献，但很少关于标签实际应用中复杂材料环境下的设计与测量的文献。

本文着重介绍了复杂材料环境条件下进行天线的设计与测量方法，并结合工程实施例加以说明。

2 RFID标签天线设计理论RFID标签天线的设计通常指在给定天线工艺条件下，针对具体应用要求，在规定尺寸范围内进行设计与芯片相匹配的天线。

在实际设计工程中主要解决规定的尺寸范围及工作环境件下天线的输入阻抗与芯片在工作频段达到共轭匹配。

除了天线阻抗匹配设计外，还要关注天线辐射效率、极化方向及辐射方向图等参数。

2.1天线的基础知识天线是一种能量转换装置，即把导行波与空间辐射波相互转换的装置。

天线周围的场强分布一般都是离开天线距离和角坐标的函数，通常根据离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。

图2.1天线周围的场区图2.1(a)所示电尺寸小的偶极子天线其感应场区的外边界是λ/2π。

这里，λ是指工作波长。

图2.1(b)所示电尺寸大的孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区。

天线一般都有两方面的特性：电路特性(输入阻抗、效率、频带宽度、匹配程度等)和辐射特性(方向图、增益、极化、相位等)。

天线的测量就是用实验方法测定和检验天线这些参数特性。

2.2标签天线设计的一般步骤根据设计要求(标签尺寸、工作频带、匹配芯片、应用条件等由要求提出)，确定设计方案及目标参数，建立天线模型，并对天线模型进行仿真计算。

再根据仿真计算结果进行调整设计模型，以达到预期目标参数。

1 引言在设计射频放大电路的工作中，一般都要涉及到输入输出阻抗匹配的问题，而匹配网络的设计是解决问题的关键，如果知道网络设计需要的阻抗，那么就可以利用射频电路设计软件(如RFSim99)自动设计出匹配网络，非常方便。

一般在阻抗匹配要求不很严格的情况下，或者只关心其他指标的情况下，可以对器件的输入输出阻抗作近似估计(有时器件参数的分散性也要求这样)，只要设计误差不大就可行。

但是在射频功率放大器的设计中，推动级和末级功率输出的设计必须要提高功率增益和高效率，这时知道推动级和功率输出级的输入输出阻抗就显得非常重要。

在功率管的器件手册上一般都给出了在典型频率和功率下的输入输出阻抗，为工程设计人员提供参考，但是由于功率管参数的分散性和工作状态(如工作频率、温度、偏置、电源电压、输入功率、输出功率等)发生变化的情况下，手册上的参数就和实际情况有很大的偏差。

有时候为了降低产品的功耗，必须设计出匹配良好和高效率的射频功率放大器，这时就有必要测量功率管在特定工作条件下的输入输出阻抗。

在测定的过程中，首选的仪器是昂贵的网络分析仪，但是在不具备网络分析仪的情况下，可以寻求用普通的仪器(如示波器、阻抗测试仪等)进行测量。

下面介绍一种用普通测量仪器测量射频功率管在实际工作条件下的输入输出阻抗的方法。

2 阻抗测量的一般方法阻抗测量方法主要有电桥法，谐振法和伏安法3种。

电桥法具有较高的测量精度，是常用的高精度测量方法，但在测量像射频功率管这样的有源非线性大信号工作器件的阻抗，特别是要求功率管在实际工作条件下测量有一定的困难，故电桥法难以应用。

谐振法在要求射频功率管在实际工件条件下也很难应用，主要原因是在非线性大信号下的波形已经不是正弦波。

伏安法是最经典的阻抗测量方法，测量原理是基于欧姆定律，即阻抗ZX可以表示为ZX=UXejθ／IX，UX为阻抗ZX两端压降的有效值，IX为流过阻抗ZX的电流有效值，θ为电压与电流的相位差。

但是在射频功率管的基极和集电极的电压和电流均不是正弦波，所以基波的IX和θ都很难准确测出，显然伏安法在这里有很大的局限性。

RFID标签天线的设计与测试RFID技术作为一种新兴的自动识别技术,RFDD系统朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展。

设计出高效、稳定、可靠的标签天线显得尤其重要,天线很大程度上决定了整个RFID系统的性能。

本文阐述了RFID系统中天线的作用 设计RFID标签天线考虑的主要性能参数 设计方法以及测试。

【关键词】RFID 标签天线设计RFID(Radio Frequency Identification)无线射频识别技术被视为20世纪最重要的十大技术之一。

RFID标签天线是 IC 卡中芯片进行信息传递、时钟和能源获取的唯一通道被当作是标签与读写器之间的重要耦合部件RFID标签天线的质量和性能影响整个卡片的通信距离、成本、使用年限以及可靠性等。

RFID标签的设计必须同时具备低成本和高可靠性这两点要求同时由于某些限制RFID标签需要根据不同形状和类型的物体做具体的设计或贴在表面或嵌入物体内部。

目前国内外对 RFID天线的研究重点主要集中在外部环境对天线性能的影响和天线的细部结构上。

1 RFID系统中天线的作用和功能射频识别系统中电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体阅读器又称为读出装置扫描器、通讯器、读写器取决于电子标签是否可以无线改写数据。

天线是射频识别系统中基本的元件由读写器产生特定频率的无线电信号通过天线到达应答器芯片内部的电路当系统开启后电子标签和阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间无接触耦合、在耦合通道内根据时序关系实现能量的传递、数据的交换。

无源标签天线主要有两个功能 第一是充当一个传递者通过将带有标签信息的能量反向散射回读写器天线让读写器系统处理数据。

第二是充当一个载体将能量有效地传递到标签芯片里维持标签芯片正常的工作功率。

对应第一个功能产生了反向散射的问题利用芯片内的开关电路改变芯片阻抗造成不同的反射波反射至标签天线让标签天线散射大小不同的能量以达到逻辑“1”和“0”的能量信息。

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。

阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。

我们先从直流电压源驱动一个负载入手。

由于实际的电压源,总是有内阻的（请参看输出阻抗一问）,我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。

假设负载电阻为R,电源电动势为U,内阻为r,那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R越小,则输出电流越大。

负载R上的电压为：Uo=IR=U*[1+(r/R)],可以看出,负载电阻R越大,则输出电压Uo越高。

再来计算一下电阻R消耗的功率为：P=I*I*R=[U/(R+r)]*[U/(R+r)]*R=U*U*R/(R*R+2*R*r+r*r)=U*U*R/[(R-r)*(R-r)+4*R*r]=U*U/{[(R-r)*(R-r)/R]+4*r}对于一个给定的信号源,其内阻r是固定的,而负载电阻R则是由我们来选择的。

注意式中[(R-r)*(R-r)/R],当R=r时,[(R-r)*(R-r)/R]可取得最小值0,这时负载电阻R 上可获得最大输出功率Pmax=U*U/(4*r)。

即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一。

对于纯电阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路。

当交流电路中含有容性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等,虚部互为相反数,这叫做共厄匹配。

在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相对于传输线来说很长,传输线可以看成是“短线”,反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的）。

从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大,则选择小的负载R;如果我们需要输出电压大,则选择大的负载R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。

标签阻抗测试
测试目的：
1.测试各种封装后芯片的特性阻抗；
2.测试封装引入的寄生电容值；
3.测试天线的特性阻抗值
测试工具：
Agilent 5241A，电子校准仪，CPHF-C-3探针一支，待测标签，芯片若干。

测量步骤：
1)通过电子校准仪对5241A的cable线进行校正：设置频段，mark
点，单端口，校准到cable线末端，trace选择smith原图；
2)对探针进行电延时校正，在port extension里面选择open即可；
3)测试封装模块阻抗时，port校准到探针末端即可，然后探针的芯
和地对应模块的两个支臂，即可得出相应频段的待测物特性阻抗；
4)测试天线阻抗时，port口校准到探针末端即可，然后探针的芯和
地分别对应天线的两个端口，即可得出相应频段的特性阻抗。

5)测试封装引入阻抗时，步骤稍微复杂，如下
i.剪取没有封装芯片的天线上一段天线a，位于端口两侧，两侧
长度尽可能较短；
ii.在校准port时，要将a的长度较进去；
iii.在封装芯片后的标签上，同一位置处剪取同一长度的天线b，a与b等同长度，等同位置；
iv.将校准好的探针对准b的两侧，即可得出相应频段的特性阻抗。