遠(yuǎn)距離RFID讀寫(xiě)天線設(shè)計(jì)

　1 引言

　　射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency IdentificatiON)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用射頻信號(hào)的空間耦合傳遞非接觸信息，并通過(guò)所傳遞的信息識(shí)別對(duì)象。 RFID解決無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸兩大難題，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別，其突出優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠穿透非金屬材質(zhì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，抗干擾能力強(qiáng)。目前的讀寫(xiě)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用要求，因此，需要一款遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)器配合遠(yuǎn)距離天線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離水平或垂直方向的讀寫(xiě)要求。這里給出一種遠(yuǎn)距離 RFID讀寫(xiě)天線的設(shè)計(jì)方案，采用射頻標(biāo)簽專用讀寫(xiě)器RI-R6C-001A，該器件要求天線阻抗為50 Ω，頻率為13．56 MHz，因此采用_亡藝簡(jiǎn)單、低成本的PCB環(huán)形天線。

　　2 RFID讀寫(xiě)天線的設(shè)計(jì)

　　2．1 RFID讀寫(xiě)天線工作原理

　　天線是發(fā)射和接收射頻載波信號(hào)的設(shè)備。在工作頻率和帶寬確定的條件下，天線發(fā)射射頻處理模塊產(chǎn)生的射頻載波，并接收從標(biāo)簽發(fā)射或反射的射頻載波，其作用是產(chǎn)生磁通量，為標(biāo)簽(無(wú)源)提供電源，并在讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間傳遞信息。天線性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)整體性能起著非常關(guān)鍵的作用。RFID天線的讀寫(xiě)距離取決于諸多因素：天線的尺寸、方向性、天線的位置、所處頻段的電氣特性及周圍環(huán)境等。

　　2．2 RFID讀寫(xiě)天線各性能參數(shù)

　　2．2．1 電子標(biāo)簽的方向性

　　由于無(wú)源電子標(biāo)簽是通過(guò)與讀寫(xiě)器天線磁場(chǎng)耦合來(lái)獲得能量，所以標(biāo)簽的方向性直接影響耦合系數(shù)，近而影響能量的獲取和通信的可靠性。當(dāng)標(biāo)簽的方向性和讀寫(xiě)器天線處于最佳耦合時(shí)，磁力線與電子標(biāo)簽成直角。電子標(biāo)簽?zāi)軌颢@得最好的讀寫(xiě)效果。但是，若將電子標(biāo)簽移動(dòng)到天線的兩側(cè)，這時(shí)標(biāo)簽的放置位置和磁力線方向平行。此時(shí)方向性最差，讀寫(xiě)效果也最差。圖1為天線的磁力線分布模擬圖。

2．2．2 天線盲區(qū)

　　由于環(huán)形天線的電磁場(chǎng)在其臨近區(qū)域分布不均勻，因此會(huì)出現(xiàn)讀寫(xiě)盲區(qū)。如圖2中黑線勾勒出的范圍之外區(qū)域一般為單個(gè)天線的讀寫(xiě)盲區(qū)。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明將電子標(biāo)簽擺放位置轉(zhuǎn)到與最佳位置成40°角區(qū)域時(shí)，一般可正常讀寫(xiě)操作。

　2．2．3 天線品質(zhì)因數(shù)Q

　　對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線．在其尺寸不變的情況下，Q值越大意味著天線線圈中的電流強(qiáng)度越大，輸出功率越強(qiáng)，讀寫(xiě)距離就越遠(yuǎn)。品質(zhì)因數(shù)Q的計(jì)算公式為：

式中，f0是工作頻率(13．56 MHz)，L是天線的等效電感，R是天線的等效并聯(lián)電阻。通過(guò)p很容易計(jì)算出天線帶寬B：

由式(2)可看出，天線的傳輸帶寬B與品質(zhì)因數(shù)Q成反比。因此，過(guò)高的品質(zhì)因數(shù)將導(dǎo)致帶寬縮小，降低讀寫(xiě)器的調(diào)制邊帶信號(hào)幅度，導(dǎo)致讀寫(xiě)器無(wú)法與標(biāo)簽通信。天線Q值與3 dB帶寬的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可看出：環(huán)形天線與50 Ω的負(fù)載相連時(shí)，其Q值最好不超過(guò)30。為了優(yōu)化天線的性能。讀寫(xiě)器匹配電路的駐波比應(yīng)小于1：1．2。

天線設(shè)計(jì)完成后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線品質(zhì)因數(shù)及帶寬。若帶寬不符合要求，可加并聯(lián)電阻調(diào)整。

　　設(shè)天線的諧振電阻為Rpor，理想品質(zhì)因數(shù)為Qreqtuired，則：

假設(shè)利用頻譜分析儀實(shí)測(cè)的天線品質(zhì)因數(shù)為Qreqtuired，則相應(yīng)天線的阻抗為：

最終天線需要并聯(lián)電阻R：

該設(shè)計(jì)按以上步驟設(shè)計(jì)天線品質(zhì)因數(shù)，其Qrequired=30。
2．2．4 天線尺寸

　　一般情況下．讀寫(xiě)器識(shí)別距離與讀寫(xiě)器的天線裝置及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，天線越大，輸出功率越大，讀寫(xiě)距離就越遠(yuǎn)。但隨著天線尺寸增大，也出現(xiàn)了其他問(wèn)題：信噪比下降；為符合國(guó)內(nèi)外的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求，可能需要實(shí)施電磁屏蔽措施；讀寫(xiě)器天線的磁場(chǎng)回旋盲區(qū)將會(huì)擴(kuò)張，在磁場(chǎng)盲區(qū)電子標(biāo)簽無(wú)法作出響應(yīng)：電子標(biāo)簽的天線與讀寫(xiě)器的天線之間匹配問(wèn)題更難解決。如果電感太大，甚至可能無(wú)法解決。天線的最大幾何尺寸同工作波長(zhǎng)之間有一個(gè)界限，一般定義為：

式中，L是天線的最大尺寸，λ是工作波長(zhǎng)。

　　對(duì)于13．6 MHz的射頻識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，天線的最大尺寸應(yīng)選用50 cm左右。采用尺寸大小為50 cm×50 cm的單一天線讀寫(xiě)器，當(dāng)輻射功率達(dá)0．8 W時(shí)，可實(shí)現(xiàn)50 cm的有效讀寫(xiě)距離。若采用雙天線，則可實(shí)現(xiàn)超過(guò)1 m的有效讀寫(xiě)距離。

　　2．2．5 匹配網(wǎng)絡(luò)

　　本文研究的RFID讀寫(xiě)器頻率為13．56 MHz，為有效抑制功率反射、寄生輻射等高頻效應(yīng)，通常是將讀寫(xiě)器天線通過(guò)同軸電纜連接到讀寫(xiě)器的高頻模塊，同軸電纜阻抗為50 Ω。因此，天線的阻抗匹配就是通過(guò)一定的無(wú)源匹配電路來(lái)改變讀寫(xiě)器天線的輸入阻抗，使其與同軸電纜的阻抗保持一致，這樣就可使能量通過(guò)同軸電纜幾乎無(wú)損失的從讀寫(xiě)器傳送出去。圖4為采用50 Ω技術(shù)的電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)電路。

3 結(jié)論

　　RFID讀寫(xiě)器要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)功能關(guān)鍵在于天線的設(shè)計(jì)，通過(guò)研究RFID天線工作原理及其性能參數(shù)，提出一種有效的天線設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，從而使讀寫(xiě)器具有更遠(yuǎn)的讀寫(xiě)距離和更高的能量利用率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：RFID讀寫(xiě)器配上優(yōu)化后的遠(yuǎn)距離射頻天線可使讀寫(xiě)距離達(dá)到30 cm。