RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)

　　RFID(Radio Frequency。Identification，射頻識(shí)別技術(shù))是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它的核心部件是讀寫器和電子標(biāo)簽，通過相距幾厘米到幾米距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的無線電波，可以讀取電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息，識(shí)別電子標(biāo)簽代表的物品、人和器具的身份。RFID技術(shù)在國內(nèi)外得到了大量的應(yīng)用，在公共交通、地鐵、校園、社會(huì)保障等領(lǐng)域均有應(yīng)用。本文主要通過實(shí)際工作中對(duì)于各種RFID讀寫系統(tǒng)的對(duì)比，總結(jié)研究RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)中比較實(shí)用的方法。

1 實(shí)際RFID天線設(shè)計(jì)主要考慮物理參量

1．1 磁場(chǎng)強(qiáng)度

    運(yùn)動(dòng)的電荷或者說電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小用磁場(chǎng)強(qiáng)度來表示。RFID天線的作用距離，與天線線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)。
    圓形線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度(在近場(chǎng)耦合有效的前提下，近場(chǎng)耦合有效與否的判斷在1．3節(jié))可用式(1)進(jìn)行計(jì)算： 
    

    式中：H是磁場(chǎng)強(qiáng)度；I是電流強(qiáng)度；N為匝數(shù)；R為天線半徑；x為作用距離。
    對(duì)于邊長ab的矩形導(dǎo)體回路，在距離為x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線可用下式計(jì)算。 

    結(jié)果證實(shí)：在與天線線圈距離很小(x<R)的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升是平緩的。較小的天線在其中心(距離為0)處呈現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，相對(duì)來講，較大的天線在較遠(yuǎn)的距離(x>R)處呈現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮這種效應(yīng)，如圖1所示。

1．2 最佳天線直徑

    在與發(fā)射天線的距離x為常數(shù)并簡單地假定發(fā)射天線線圈中電流I不變的情況下，如果改變發(fā)送天線的半徑R時(shí)，就可以根據(jù)距離x與天線半徑R之間的關(guān)系得到最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。這意味著：對(duì)于每種射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過大，那么在與發(fā)射天線的距離x=0處，磁場(chǎng)強(qiáng)度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場(chǎng)強(qiáng)度則以z的三次方的比例衰減，如圖2所示。 

　　不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線最大值。

　　從數(shù)學(xué)上來說，也即對(duì)R求導(dǎo)，如式(3)所示： 

　　從公式的零點(diǎn)中計(jì)算是拐點(diǎn)以及函數(shù)的最大值。 
    

　　發(fā)射天線的最佳半徑對(duì)應(yīng)于最大期望閱讀器的2孺值。第二個(gè)零點(diǎn)的負(fù)號(hào)表示導(dǎo)電路的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x軸的兩個(gè)方向傳播。這里需要指出的是，使用此式的前提條件，是近場(chǎng)耦合有效。下面簡介近場(chǎng)耦合的概念。

1．3 近場(chǎng)耦合

    真正使用前面所提到的公式時(shí)，有效的邊界條件為：
    d《R以及x<λ／2π，原因是當(dāng)超出上述范圍時(shí)，近場(chǎng)耦合便失去作用了，開始過渡到遠(yuǎn)距離的電磁場(chǎng)。一個(gè)導(dǎo)體回路上的初始磁場(chǎng)是從天線上開始的。在磁場(chǎng)的傳輸過程中，由于感應(yīng)的增加也形成電場(chǎng)。這樣，最原始的純磁場(chǎng)就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成了電磁場(chǎng)。當(dāng)距離大于λ／2π的時(shí)候，電磁場(chǎng)最終擺脫天線，并作為電磁波進(jìn)入空間。在作為電磁波進(jìn)入空間之前的這個(gè)范圍，就叫做天線的近場(chǎng)，本文所涉及的RFID天線設(shè)計(jì)，是基于近場(chǎng)耦合的概念。所以距離應(yīng)當(dāng)限定在上述的范圍之內(nèi)。

1．4 調(diào)諧

    RFID系統(tǒng)讀寫器可以等效為一個(gè)R-L-C串聯(lián)電路，其中R為繞線線圈的電阻，L為天線自身的電感。一般調(diào)諧過程當(dāng)中，由于天線線圈本身的電容對(duì)于諧振的影響很小，可以忽略不計(jì)，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個(gè)電容C，完成對(duì)天線的調(diào)諧，達(dá)到這一目的。而調(diào)諧電容，天線的電感以及工作頻率之間的關(guān)系，可以通過以下湯姆遜公式求得，即： 
    

1．5 電感的估算

    電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)體回路包圍的電流強(qiáng)度之比。實(shí)際RFID天線調(diào)試的時(shí)候，讀寫器天線電感量值可以通過阻抗分析儀測(cè)出，在條件有限的情況下，也常采用估算公式進(jìn)行估算。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小(d／D<0．001)，則導(dǎo)體回路的電感可簡單地近似為： 
     

    式中：N為繞線天線的匝數(shù)；R為天線線圈的半徑；d為導(dǎo)體的內(nèi)徑；μ0為自由空間磁導(dǎo)率。
    線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進(jìn)行估算，在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)公式可以進(jìn)行對(duì)照使用： 
 

    式中：L為線圈電感，單位為nH；A為天線線圈包圍面積，單位為cm2；D為導(dǎo)線直徑，單位為cm。

1．6 天線的品質(zhì)因數(shù)

    天線的性能還與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大，但是同時(shí)，讀寫器的通帶特性也會(huì)受到影響。所以在實(shí)際調(diào)節(jié)Q值的時(shí)候，要進(jìn)行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值，是通過在R-L-C等效電路上面串接一個(gè)電阻R1實(shí)現(xiàn)的，具體的公式如下：
    Q=ωL／(R+R1) (8)

2 實(shí)際調(diào)試

    RFID天線的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，上述幾個(gè)是實(shí)際的調(diào)試過程中的重要物理參量。明確了上述物理參量之后，在給定期望距離以及工作頻率等RFID系統(tǒng)要求之后，在條件有限的情況下，就可以根據(jù)需要進(jìn)行簡單的RFID天線設(shè)計(jì)了。下面給出一個(gè)應(yīng)用于軌道交通的RFID天線設(shè)計(jì)的實(shí)際例子。此處設(shè)計(jì)一個(gè)期望最大作用距離為1 cm，工作頻率在125 kHz的繞線天線，系統(tǒng)要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小，不超過1 cm。具體步驟如下：

    首先確定天線的最佳半徑，不宜太大也不宜太小，理想的最佳天線半徑應(yīng)當(dāng)為期望作用距離的2倍，在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求在設(shè)計(jì)中進(jìn)行折衷的考慮，在保證系統(tǒng)要求的前提下，盡可能地接近最佳值。本例中閱讀器天線的最佳半徑應(yīng)當(dāng)為1．4 cm，但是考慮到系統(tǒng)對(duì)于天線半徑尺寸的要求不超過1 cm，所以實(shí)際中取半徑為0．8 cm。在允許的條件下，為使效果更好，可以加入一個(gè)帶有適量鐵氧體的天線骨架、天線以及閱讀器板子，如圖3所示。  

　　其次，再根據(jù)工作頻率以及系統(tǒng)本身的要求確定電感量的大致范圍，本系統(tǒng)中取電感量在600～800μH。再者，用電感量與匝數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式大致估計(jì)繞線的匝數(shù)。本例中，取電感量在700μH，用直徑為0．27 mm的銅導(dǎo)線進(jìn)行繞制天線。由公式計(jì)算出匝數(shù)大概在266圈左右，繞完后，根據(jù)湯姆遜公式選取所用的調(diào)諧電容。用相關(guān)的儀器(如頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)測(cè)量出諧振頻率，這個(gè)時(shí)候，由于電感量只是估算的，而且選用的匹配電容也是具有一定標(biāo)稱值的，并不能做到與計(jì)算一致，所以總是會(huì)存在誤差。

　　由于調(diào)諧的電容是已知的，而且有固定的標(biāo)稱值，可以根據(jù)湯姆遜公式由這個(gè)時(shí)候測(cè)得的頻率反推出在恰好達(dá)到此頻率的時(shí)候所需要的電感的大小，即繞線線圈電感。看頻率的偏移情況，按電感量估算公式逐步增加或者減少線圈匝數(shù)，直到達(dá)到指定的諧振頻率125 kHz。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜儀測(cè)諧振頻率的實(shí)際圖片如圖4，圖5所示。

3 結(jié) 語

    根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜分析儀的顯示，本RFID天線已經(jīng)成功諧振在125 kHz。接下來便可根據(jù)所提到的公式，計(jì)算出調(diào)Q值所用的電阻的大小，然后根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行進(jìn)一步的聯(lián)調(diào)測(cè)試了。實(shí)際工程中，RFID讀寫器及標(biāo)簽有各種電路結(jié)構(gòu)，但是歸根到底都是等效成R-L-C諧振電路的，比如說PHILIPS的MIFARE系列讀寫器的天線設(shè)計(jì)，所以本文對(duì)于各種RFID系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義。