RFID知識
遠距離RFID讀寫(xiě)天線(xiàn)的研究
射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種利用射頻通信實(shí)現的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)。它利用射頻信號的空間耦合傳遞非接觸信息，并通過(guò)所傳遞的信息識別對象。RFID解決無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸兩大難題，實(shí)現運動(dòng)目標識別、多目標識別，其突出優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應性強，能夠穿透非金屬材質(zhì)，數據存儲量大，抗干擾能力強。目前的讀寫(xiě)器遠遠不能滿(mǎn)足應用要求，因此，需要一款遠距離讀寫(xiě)器配合遠距離天線(xiàn)，實(shí)現遠距離水平或垂直方向的讀寫(xiě)要求。這里給出一種遠距離RFID讀寫(xiě)天線(xiàn)的設計方案，采用射頻標簽專(zhuān)用讀寫(xiě)器RI-R6C-001A，該器件要求天線(xiàn)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(xiàn)。
2 RFID讀寫(xiě)天線(xiàn)的設計
2.1 RFID讀寫(xiě)天線(xiàn)工作原理
天線(xiàn)是發(fā)射和接收射頻載波信號的設備。在工作頻率和帶寬確定的條件下，天線(xiàn)發(fā)射射頻處理模塊產(chǎn)生的射頻載波，并接收從標簽發(fā)射或反射的射頻載波，其作用是產(chǎn)生磁通量，為標簽(無(wú)源)提供電源，并在讀寫(xiě)器和標簽之間傳遞信息。天線(xiàn)性能的優(yōu)劣對系統整體性能起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。RFID天線(xiàn)的讀寫(xiě)距離取決于諸多因素：天線(xiàn)的尺寸、方向性、天線(xiàn)的位置、所處頻段的電氣特性及周?chē)h(huán)境等。
2.2 RFID讀寫(xiě)天線(xiàn)各性能參數
2.2.1 電子標簽的方向性
由于無(wú)源電子標簽是通過(guò)與讀寫(xiě)器天線(xiàn)磁場(chǎng)耦合來(lái)獲得能量，所以標簽的方向性直接影響耦合系數，近而影響能量的獲取和通信的可靠性。當標簽的方向性和讀寫(xiě)器天線(xiàn)處于最佳耦合時(shí)，磁力線(xiàn)與電子標簽成直角。電子標簽能夠獲得最好的讀寫(xiě)效果。但是，若將電子標簽移動(dòng)到天線(xiàn)的兩側，這時(shí)標簽的放置位置和磁力線(xiàn)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(xiàn)的磁力線(xiàn)分布模擬圖。
2.2.2 天線(xiàn)盲區
由于環(huán)形天線(xiàn)的電磁場(chǎng)在其臨近區域分布不均勻，因此會(huì )出現讀寫(xiě)盲區。如圖2中黑線(xiàn)勾勒出的范圍之外區域一般為單個(gè)天線(xiàn)的讀寫(xiě)盲區。經(jīng)反復實(shí)驗證明將電子標簽擺放位置轉到與最佳位置成40°角區域時(shí)，一般可正常讀寫(xiě)操作。
2.2.3 天線(xiàn)品質(zhì)因數Q
對于電感耦合式射頻識別系統的天線(xiàn).在其尺寸不變的情況下，Q值越大意味著(zhù)天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流強度越大，輸出功率越強，讀寫(xiě)距離就越遠。品質(zhì)因數Q的計算公式為：
式中，f0是工作頻率(13.56 MHz)，L是天線(xiàn)的等效電感，R是天線(xiàn)的等效并聯(lián)電阻。通過(guò)p很容易計算出天線(xiàn)帶寬B：
由式(2)可看出，天線(xiàn)的傳輸帶寬B與品質(zhì)因數Q成反比。因此，過(guò)高的品質(zhì)因數將導致帶寬縮小，降低讀寫(xiě)器的調制邊帶信號幅度，導致讀寫(xiě)器無(wú)法與標簽通 信。天線(xiàn)Q值與3 dB帶寬的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可看出：環(huán)形天線(xiàn)與50 Ω的負載相連時(shí)，其Q值最好不超過(guò)30。為了優(yōu)化天線(xiàn)的性能。讀寫(xiě)器匹 配電路的駐波比應小于1：1.2。
天線(xiàn)設計完成后，使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量天線(xiàn)品質(zhì)因數及帶寬。若帶寬不符合要求，可加并聯(lián)電阻調整。
設天線(xiàn)的諧振電阻為Rpor，理 想品質(zhì)因數為Qreqtuired，則：
假設利用頻譜分析儀實(shí)測的天線(xiàn)品質(zhì)因數為Qreqtuired，則相應天線(xiàn)的阻抗為：
最終天線(xiàn)需要并聯(lián)電阻R：
該設計按以上步驟設計天線(xiàn)品質(zhì)因數，其Qrequired=30。
2.2.4 天線(xiàn)尺寸
一般情況下.讀寫(xiě)器識別距離與讀寫(xiě)器的天線(xiàn)裝置及磁場(chǎng)強度有關(guān)，天線(xiàn)越大，輸出功率越大，讀寫(xiě)距離就越 遠。但隨著(zhù)天線(xiàn)尺寸增大，也出現了其他問(wèn)題：信噪比下降;為符合國內外的電磁兼容標準要求，可能需要實(shí)施電磁屏蔽措施;讀寫(xiě)器天線(xiàn)的磁場(chǎng)回旋盲區將會(huì )擴 張，在磁場(chǎng)盲區電子標簽無(wú)法作出響應：電子標簽的天線(xiàn)與讀寫(xiě)器的天線(xiàn)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(xiàn)的最大幾何尺寸同工作波 長(cháng)之間有一個(gè)界限，一般定義為：
式中，L是天線(xiàn)的最大尺寸，λ是工作波長(cháng)。
對于13.6 MHz的射頻識別系統來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)的最大尺寸應選用50 cm左右。采 用尺寸大小為50 cm×50 cm的單一天線(xiàn)讀寫(xiě)器，當輻射功率達0.8 W時(shí)，可實(shí)現50 cm的有效讀寫(xiě)距離。若采用雙天線(xiàn)，則可實(shí)現超過(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，通常是將讀寫(xiě)器天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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 感耦合式射頻識別系統電路。
3 結論
RFID讀寫(xiě)器要實(shí)現遠距離讀寫(xiě)功能關(guān)鍵在于天線(xiàn)的設計，通過(guò)研究RFID天線(xiàn)工 作原理及其性能參數，提出一種有效的天線(xiàn)設計優(yōu)化方案，從而使讀寫(xiě)器具有更遠的讀寫(xiě)距離和更高的能量利用率。經(jīng)實(shí)驗證明：RFID讀寫(xiě)器配上優(yōu)化后的遠距 離射頻天線(xiàn)可使讀寫(xiě)距離達到30 cm。
本文來(lái)源于：世界RFID網(wǎng)
