1、 毕业设计文献综述 电子信息工程 基于分形结构的 RFID 标签天线的设计与分析 一 RFID 技术及其原理 射频识别 RFID(Radio Frequency Identification)俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，通过对实体对象进行有效标识，它可快速、实时、准确采集和处理对象信息。 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
2、分为有源 (active)标签、半有源 (semi-active)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 1。 二 RFID 的发展历程及应用 （ 1） 发展历程 在 20 世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。 RFID技术的发展可按 10 年
3、期划分如下： 1941-1950 年。雷达的改进和应用催生了 RFID 技术， 1948 年奠定了 RFID 技术的理论基础。 1951-1960 年。早期 RFID 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1961-1970 年。 RFID 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1971-1980 年。 RFID 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种 RFID 技术测试得到加速。出现了一些最早的 RFID 应用。 1981-1990 年。 RFID 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 1991-2000 年。 RFID 技术标准化问题日趋得到重视， RFID 产品得
4、到广泛采用， RFID 产品逐渐成为人们生活中的一部分 2。 2001 年至 今。标准化问题日趋为人们所重视， RFID 产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大 3。 RFID 技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的 RFID 正在成 为现实。 （ 2）应用现状 RFID 技术的应用已趋成熟。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部都得到了相当广泛的应用 4。 典型的应用领域包括 ： (1)铁路车号自动识别管理。如：北美铁路、中国铁路、瑞士铁路等
5、。 (2)车辆道路交通自动收费管理。如：北美部分收费高速公路的自动收费中国部分高速公路自动收费管理、东南亚国家部分收费公路的自动收费管理。 (3)旅客航空行包的自动识别、分拣、转运管理。如：北美部分机场。 (4)车辆出入控制。如：停车场、垃圾场、水泥场车辆出入、称重管理等。 (5)校园卡、饭卡、乘车卡、 会员卡、驾照卡、健康卡 (医疗卡 )等国内、国外均有大应用。 (6)生产线产品加工过程自动控制。主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上 (7)动物识别 (养牛、养羊、赛鸽等 )。大型养殖厂、家庭牧场、赛鸽比赛。 (8)物流、仓储自动管理。大型物流、仓储企业。 (9)贮气容器的自动识别管理。 (
6、10)汽车遥控门锁、电子门锁等。 目前国内 RFID 成功的行业应用有中国铁路的车号自动识别系统。其辐射作用已涉及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统等。 正在计划推广的应用项目还有电子身份证、电子车牌、铁路行 包自动追踪管理等 5。 （ 3） RFID 标签天线现状 在 RFID 系统中 ,所采用的天线主要分为标签天线和读写器天线两种 .不同的环境和频率要求具有不同特性参数的天线 ,而芯片基本已模块化 .标签天线是 RFID 系统中最易变的部分 ,并且其设计面临着小型化、共形化、低损耗和低成本的实际要求 ,所以优化设计标签天线在整个系统中占有重要地位 . 标签天线需要置于
7、标签之中 ,因此其尺寸受限就是亟待着重解决的问题 .标签天线最常见的形式主要有线圈天线、微带天线和偶极子天线 .其中 ,线圈天线已有一套成熟的理论和工艺 ,应用较为广泛 ,但只适用 于 1m 以内的近距离 RFID 系统 ,在高频率、大信息量以及工作距离和方向不定的场合难以得到广泛应用；微带天线由于其方向图是定向的 ,所以仅适用于通信方向变化不大的 RFID 系统 ,而且相比之下制作工艺较为复杂 ,成本相对较高 ,尺寸也较大；而对于偶极子天线 ,其辐射能力强 ,制造工艺简单 ,成本低 ,而且能够实现全向性 ,经常应用于远距离RFID 系统中 .不过一般偶极子天线尺寸也不小 ,所以更多采用的是其
8、各种改进形式 .标签天线除了这主要的几种形式外 ,还有单极子天线、倒 F 天线及一些特殊天线结构。 三 RFID 技术国内外研究现状 在国外 ， RFID 技术的研究已有相当长的历史，可以检索到的国外 RFID 专利达到 6000 多项，其中 50%以上是发明专利 6。在 RFID 标签的小型化方面 :日本的 Mxaell 公司己生产出只有米粒大小的 RFID 标签，用于 13.56MHz 射频识别系统，该 RFID 标签中集成有作为天线的电感线圈 7。 2001 年 6 月，日本东芝公司制造出世界上最小的 RFID 芯片，使得电子标签嵌入纸内成为可能 8。 20 世纪 80 年代末、 90
9、年代初，部分半导体制造商意识到 RFID 系统潜在的巨大市场利益，纷纷涉足 RFID 技术和产品的研发 9。美国德 州仪器 (TI)公司于 1991 年成立单独的 TIRIS公司专门致力于以 RFID技术为基础的全球性人员和物品信息的自动采集和识别方案的研究和提供。不仅研发了用于家畜管理和车辆防盗等低频产品，而且推出了用于高速公路自动收费等的微波产品。为后来 RFID 系统的研发和相关标准的制定奠定了基础 10。在非接触卡发展历程中影响最大的公司，当属荷兰飞利浦半导体公司 11。 1990 年，其研发出第一个单芯片读写 RFID 系统； 1992 年，它的反碰幢技术的发明和在 13.56MHz
10、 RFID 系统的首次应用成为无源式 RFID 技术的重 大突破 12； 1994 年，推出非接触式逻辑加密型 IC 卡Miface1，并在次年商业化应用。该 13.56MHz 主频的卡除了具有 106kbps 的数据传输速率外，还有很多安全措施和一卡多用的功能。它的 Miface 标准成为后期制定的非接触式 IC 卡国际标准 ISO/IEC14443 Type A 部分的构建基础 13。之后又有很多公司推出特点迥异的产品。比如 ST 半导体推出 ISO/IEC14443 TypeB 协议的卡， Atmel 公司研发出 125kHz 场频的 RFID 系统 14。 2001 年 10 月，大额
11、的欧元纸币开始使 用 RFID 防伪标识 15。 2002 年 3 月， Mieromen公司和国际纸业 (International paper)公司共同开发“纸质”芯片的封装技术。在 RFID 天线研究领域也取得较大进展 :2001 年， Fractal Antenna system 公司开发出应用于 RFID 系统的分形天线，包括标签天线和读写器天线。 2004 年，芬兰的 Ruamonen 等人将电磁带隙 (EBG)结构引入阅读器天线设计，降低了螺旋曲线天线的高度 16。 2004 年，新加坡的 Qnig 等人利用缝隙祸合的形式制作了圆极化微带天线，用于 2.45GHz 频段的 RFI
12、D 读写器。 2005 年，日本藤仓、三洋电机和日本 Tahcyon 宣布联合开发出了采用晶圆级封装 (WLP)技术的微波波段RFID 片上天线。芯片尺寸为 2mm 见方，天线所占的面积仅约 1.2mm2，传输距离在 10cm 以上，运用片上天线实现了较长的传输距离。同时还基于 WLP 的厚膜树脂层形成技术，把硅底板与天线分开，利用双层结构配置了天线 17。值得关注的是，国外与 RFID 标签天线研究相关的文献大部分是针对特定标签 IC 的试验性研究，较少论述天线结构的参数对 RFID 天线性能的影响，缺乏具有普遍意义的天线设 计理论和技术。 在国内， RFID技术的研究起步较晚。迄今为止，检
13、索到的国内 RFID专利有 100多项， 70%以上是国外公司注册的，国内企业和高校申请的专利较少 18。在自主知识产权的专利中，又以应用方面的专利为主，技术类型的发明专利很少。 相对于国外的先进技术，国内的射频识别系统芯片研制水准差距较大，市场上流行的非接触卡多为进口产品。进入 21世纪后，国内集成电路行业尤其是具备雄厚电子工业基础的上海，在 RFID系统的研发上进展颇大。国内第一个拥有安全自主知识产权的 RFID芯片是清华大学微电子学研究所 1998年推 出 THRCF125。上海华虹集成电路公司和上海复旦微电子公司也推出了相应的 IC卡芯片 19。目前，部分国内企业已着手于更高层次芯片的
14、研发，国内技术和国际先进水平的差距正逐步缩小，但同时也面临更多的挑战 20。 90年代，国内几家公司先后引进国外的先进技术，开发了自己的射频识别系统。由兰州远望公司与哈尔滨铁路科学研究所共同研制的自动车号识别系统已于 2000年开始正式投入使用 21。但国内 50%以上的 RFID企业主要是国外产品代理商，本身没有自己的研发产品。有一部分企业有自主品牌，核心部件采用国外的 OEM模 块，属于组装产品。其技术水平和元器件价格受制于国外，价格高昂，且性能与国外产品尚有不少差距 22。国内对 RFID天线的研究主要是电感耦合型的 RFID天线，对反射调制式的 RFID天线研究较少。由于知识产权观念淡
15、薄等因素影响，国内 RFID产业界对 RFID天线专利问题没有引起足够的重视，普遍借用国外的 RFID天线式样，为将来可能出现的知识产权纠纷埋下隐患，有重蹈 VCD和 DVD行业前车之覆的危险。 四 RFID技术应用面临的问题 RFID技术可广泛应用于生产、零售、物流、交通、医疗、国防等各个行业，在我国比较典型的有：如第二代身份证就内镶有射频识别芯片；此外还有高速公路自动收费系统等。但是RFID技术要想大规模应用，还必须要解决以下几个方面问题： （ 1） 成本问题。目前 RFID识别系统成本价远高于条码系统，这种高价格影响了 RFID的拓展速度。改善制造流程和提高市场规模是 RFID降价的关键
16、。 （ 2） 标准问题。目前 RFID还未有统一的标准，不同的标准互不兼容。另外各国开放的频段也不尽相同。这两种不同，直接导致 RFID阅读器与应答器的互通性降低，影响阅读精度 。 （ 3） 信号干扰问题。 RFID是基于无线电波传送原理的，当无线 电波遇到金属或液体时，信号会受到干扰，进而影响读取的准确度。 （ 4） 安全性问题。当前的 RFID系统还没有很可靠的安全机制，无法对数据进行很好的保密，因而芯片在读或写数据时容易受到黑客的攻击。 （ 5）政策问题。政府的职能正由传统的管理型向服务型转变，这对身份认证、物品辨识、交通管理、危险物品控制等方面的工作范围与工作效率提出了更高的要求， R
17、FID成为政府部门提高效率、建立现代化管理体系的手段之一。政府的推动也成为了我国 RFID市场发展与产业炼完善的重要因素。目前中国市场上的 RFID应用大部分是由政策推动的。政 府的推动有助于完善 RFID产业链，为其进一步发展提供条件 23。 五 结论 RFID将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。可以预见，在不久的将来， RFID技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终 RFID技术将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。 作为全球的制造业基地，中国将是未来全球最大的 RFID应用市场。这对于国内的科研机构和企业将是一次难得的机遇。目前，我国在 RFID芯片、 RFID系统安全等核心技术方
18、面的研究几乎还是空白，在 RFID应用方面也还处于起步阶段。我们相信，在政府推动、企业参与的环境下 ，在庞大市场空间的吸引下，在中国会有越来越多的企业和研究机构参与 RFID技术的研发和应用，会有更多的企业利用 RFID技术进行企业信息化改造。中国将不仅主导 RFID技术的应用市场，也应该成为 RFID技术的全球研发中心。 【参考文献】 1 陈华君 .RFID技术原理及其射频天线设计 M.厦门大学学报 (自然版 ),2005(44) 2 刘冬生 .RFID 标签芯片的最新研究进展 J. 微电子学报 ,2007,37(6) 3 S.K.Padhi, N.C.Karmakar, C.L Law,
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