遠(yuǎn)距離RFID讀寫天線設(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，并通過所傳遞的信息識(shí)別對(duì)象。 RFID解決無源(卡中無電源)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要求。這里給出一種遠(yuǎn)距離 RFID讀寫天線的設(shè)計(jì)方案，采用射頻標(biāo)簽專用讀寫器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讀寫天線的設(shè)計(jì)

　　2．1 RFID讀寫天線工作原理

　　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(無源)提供電源，并在讀寫器和標(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讀寫天線各性能參數(shù)

　　2．2．1 電子標(biāo)簽的方向性

　　由于無源電子標(biāo)簽是通過與讀寫器天線磁場(chǎng)耦合來獲得能量，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，過高的品質(zhì)因數(shù)將導(dǎo)致帶寬縮小，降低讀寫器的調(diào)制邊帶信號(hào)幅度，導(dǎo)致讀寫器無法與標(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30。為了優(yōu)化天線的性能。讀寫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．讀寫器識(shí)別距離與讀寫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，讀寫距離就越遠(yuǎn)。但隨著天線尺寸增大，也出現(xiàn)了其他問題：信噪比下降；為符合國內(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)簽無法作出響應(yīng)：電子標(biāo)簽的天線與讀寫器的天線之間匹配問題更難解決。如果電感太大，甚至可能無法解決。天線的最大幾何尺寸同工作波長之間有一個(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。

　　對(duì)于13．6 MHz的射頻識(shí)別系統(tǒng)來說，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的有效讀寫距離。若采用雙天線，則可實(shí)現(xiàn)超過1 m的有效讀寫距離。

　　2．2．5 匹配網(wǎng)絡(luò)

　　本文研究的RFID讀寫器頻率為13．56 MHz，為有效抑制功率反射、寄生輻射等高頻效應(yīng)，通常是將讀寫器天線通過同軸電纜連接到讀寫器的高頻模塊，同軸電纜阻抗為50 Ω。因此，天線的阻抗匹配就是通過一定的無源匹配電路來改變讀寫器天線的輸入阻抗，使其與同軸電纜的阻抗保持一致，這樣就可使能量通過同軸電纜幾乎無損失的從讀寫器傳送出去。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讀寫器要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀寫功能關(guān)鍵在于天線的設(shè)計(jì)，通過研究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，從而使讀寫器具有更遠(yuǎn)的讀寫距離和更高的能量利用率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：RFID讀寫器配上優(yōu)化后的遠(yuǎn)距離射頻天線可使讀寫距離達(dá)到30 cm。