１前言

射頻識別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，并通過所傳遞的信息識別對象。RFID解決無源（卡中無電源）和免接觸兩大難題，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)識別、多目標(biāo)識別，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，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)簽移動到天線的兩側(cè)，這時標(biāo)簽的放置位置和磁力線方向平行。此時方向性最差，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)形天線的電磁場在其臨近區(qū)域分布不均勻，因此會出現(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，一般可正常讀寫操作。

2.2.3 天線品質(zhì)因數(shù)Q

對于電感耦合式射頻識別系統(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，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。讀寫器識別距離與讀寫器的天線裝置及磁場強(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;讀寫器天線的磁場回旋盲區(qū)將會擴(kuò) 張，在磁場盲區(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。

對于13.6 MHz的射頻識別系統(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，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。

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