RFID與天線設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

　　(文/美國(guó)意聯(lián)公司 甘泉)在RFID的家族中，天線和RFID是同樣重要的成員，RFID和天線相互依存，不可分割。無(wú)論是閱讀還是標(biāo)簽，無(wú)論是HF還是UHF，都離不開(kāi)天線。對(duì)于到底是先有RFID還是先有天線的問(wèn)題，做射頻和天線的人馬上會(huì)跳出來(lái)說(shuō)當(dāng)然是先有天線了。那么，大家有沒(méi)有想過(guò)是先有RFID天線還是先有RFID硬件呢?有沒(méi)有想過(guò)為什么HF的頻率是13.56MHz，而UHF的頻率是840M-960MHz呢?關(guān)于LF、HF、UHF等故事很多，我這里就針對(duì)UHF RFID來(lái)講一下是先有雞(天線)還是先有蛋(RFID)的故事。

　　UHF RFID由來(lái)

　　人們?cè)陂L(zhǎng)期使用條碼之后發(fā)現(xiàn)條碼有很多弊端，比如識(shí)別率比較低，容易被污染。這個(gè)時(shí)候就想是不是有一種技術(shù)可以通過(guò)電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊呢?因?yàn)殡姶挪ㄍㄓ嵅恍枰橘|(zhì)阻擋，不會(huì)出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題，加上電磁波的穿透能力可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)物品一起識(shí)別。

　　有了這個(gè)想法的科學(xué)家們興奮了，就開(kāi)始深入研究，發(fā)現(xiàn)條碼的尺寸基本固定一般寬高分別小于3英寸(7.5cm)、5英寸(12.5cm)，總面積小于12平方英寸(75cm*cm)。大家現(xiàn)在通過(guò)觀察UHF的標(biāo)簽可以發(fā)現(xiàn)，大部分面積都是天線只有中間的一個(gè)小黑點(diǎn)是芯片，也就是說(shuō)這個(gè)RFID標(biāo)簽的大小主要是由天線尺寸決定的。

　　既然已經(jīng)知道了天線尺寸那么就要選擇工作頻率了。人們通過(guò)一組測(cè)試數(shù)據(jù)最終確定了RFID的頻率。測(cè)試是這樣的：一個(gè)發(fā)射天線，一個(gè)接收天線(接收天線就是今后的RFID天線)，其中發(fā)射天線的輸出功率一定，接收天線的尺寸一定，看在不同的頻率下接收天線能獲得多少能量，當(dāng)然如果設(shè)定了開(kāi)啟閾值(今后的標(biāo)簽靈敏度)就相當(dāng)于頻率與距離的關(guān)系，如圖1所示為不同頻率下的工作距離圖。

圖1 不同頻率下的工作距離圖

　　從圖中可以看到，在頻率800-1G的情況下工作距離是最遠(yuǎn)的。其實(shí)早期的手機(jī)頻率也是在這個(gè)頻率范圍，就是因?yàn)樵缙诘氖謾C(jī)尺寸(早期的手機(jī)尺寸都很大，天線很長(zhǎng))也是這么大，最終做手機(jī)協(xié)議的科學(xué)家就定下了這個(gè)頻率。隨后的故事大家應(yīng)該都知道了，就是做RFID的科學(xué)家由于是晚于手機(jī)的制定，只好跟著做手機(jī)的科學(xué)家坐下來(lái)開(kāi)了個(gè)會(huì)，從人家剩下的頻段中找了一段給自己用。

　　故事講完了，你就要發(fā)問(wèn)了，為什么天線這么神奇，就只有這個(gè)800M-1GHz的頻率才工作距離遠(yuǎn)呢?我有兩種回答：一種是“這就是天意，是上帝創(chuàng)造出來(lái)的”;另外一種就是通過(guò)經(jīng)典天線原理或者麥克斯韋方程推算出來(lái)。比如通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線長(zhǎng)度與半波長(zhǎng)尺寸相比擬，800MHZ-1GHz的半波長(zhǎng)為15cm-18cm，有寬度的偶極子長(zhǎng)度比半波長(zhǎng)尺寸略小，可以認(rèn)為乘以一個(gè)系數(shù)0.8(寬度越大系數(shù)越小)，這樣就發(fā)現(xiàn)與12.5cm非常接近了。我個(gè)人建議大家多使用第一種方式來(lái)回答。

　　最后插一句915MHz為無(wú)源超高頻最好工作頻段，美國(guó)那幫做RFID的科學(xué)家就很聰明選擇了902MHz到928MHz帶寬中心頻率915MHz。也難怪UHF RFID創(chuàng)始在美國(guó)，最好的頻點(diǎn)在美國(guó)，最寬的帶寬也在美國(guó)。咱們中國(guó)的RFID科學(xué)家么也要加油，今后也創(chuàng)新出更牛的RFID協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)搶占先機(jī)。

　　標(biāo)簽的工作距離(正向距離)

　　關(guān)于前面的故事可能對(duì)大家在項(xiàng)目中關(guān)系不大，后面就給大家講一講大家最關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題：UHF RFID標(biāo)簽?zāi)茏x多遠(yuǎn)的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題一直是令大家糾結(jié)的問(wèn)題，同樣一個(gè)標(biāo)簽，有的人說(shuō)能讀10米，有的說(shuō)能讀3米，到底是怎樣的呢?到底讀取距離跟什么有關(guān)系呢?

　　首先大家回憶一下，咱們討論UHF RFID標(biāo)簽讀取距離的時(shí)候，會(huì)考慮到的相關(guān)量：

　　閱讀器的輸出功率——范圍5-30，單位dBm;

　　閱讀器的天線增益——范圍2-12，單位dBi。(注意圓極化和線極化，如果圓極化在計(jì)算距離的時(shí)候按照減去3的線極化計(jì)算，8dBi圓極化按照5dBi線極化計(jì)算);

　　標(biāo)簽靈敏度——范圍10-20，單位dBm;

　　標(biāo)簽天線增益——范圍10-2.5，單位 dBi;

　　工作頻率(波長(zhǎng))——范圍840M-960M，單位Hz。

　　從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一般情況下閱讀器的輸出功率越大、閱讀器天線增益越大、標(biāo)簽靈敏度越高、標(biāo)簽天線增益越大，整個(gè)系統(tǒng)的工作距離越遠(yuǎn)。那到底這個(gè)關(guān)系是如何計(jì)算的呢?請(qǐng)看下面的超級(jí)復(fù)雜但又超級(jí)重要的弗林斯(Friis)方程部分。Friis傳輸理論用于解釋并確定無(wú)線電通信線路中被無(wú)損耗且與負(fù)載匹配的天線所接收到的功率。

　　如圖2所示，發(fā)射機(jī)將發(fā)射功率為 的能量饋送給具有增益為 的發(fā)射天線，在距離R處有一接收天線，此接收天線的增益為 ，并設(shè)接收機(jī)由接收天線而接收到的功率為 。

　　圖2

　　在自由空間，無(wú)損耗，極化匹配，端口匹配的情況下接收天線所接收到的信號(hào)功率為：

　　這就是弗林斯傳輸公式。這個(gè)等式關(guān)系自由空間路徑損耗，天線增益和天線接收和發(fā)射功率。

　　利用Friis自由空間傳輸公式可知，在任意給定

　　R五個(gè)量中的任意四個(gè)量之后，剩余的一個(gè)量必定可求。若標(biāo)簽芯片的開(kāi)啟功率門限值為

　　，最大可讀距離

　　(阻抗匹配的時(shí)候=1)

　　那么下面我們就針對(duì)一組真實(shí)的例子來(lái)看看這個(gè)標(biāo)簽?zāi)茏x多遠(yuǎn)的問(wèn)題。假如標(biāo)簽的接收靈敏度

　　為-18dBm，閱讀器天線發(fā)射功率

　　為17dBm，標(biāo)簽天線增益

　　為2dBi，讀寫器天線增益

　　為8dBi，工作頻率為f =915MHz，且假定此時(shí)標(biāo)簽芯片與天線完全匹配，其工作距離根據(jù)公式可得：

　　計(jì)算可得不同類型增益的標(biāo)簽天線對(duì)標(biāo)簽激活距離的影響隨閱讀器天線增益變化的曲線如圖3所示。無(wú)源反向散射RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽激活距離既與標(biāo)簽天線增益有關(guān)，也與閱讀器天線增益有關(guān)。

圖3

　　天線的工作頻率對(duì)系統(tǒng)的讀取距離也有一定影響。通常，UHF RFID系統(tǒng)的工作頻率為842.5MHz、868MHz、915MHz、922.5MHz、953.5MHz等，針對(duì)這些頻率對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)分別為0.356m、0.346m、0.328m、0.325m、0.315m。

圖4

　　UHF RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離與其工作波長(zhǎng)成正比。通過(guò)使用較低的工作頻率，即較大的工作波長(zhǎng)，可以增大系統(tǒng)的識(shí)別距離。天線工作頻率對(duì)識(shí)別距離的影響如圖所示，在圖4中，假定標(biāo)簽天線增益為2dBi。圖中曲線描述了工作頻率分別為842.5MHz、915MHz、953.5MHz時(shí)系統(tǒng)識(shí)別距離隨閱讀器天線增益變化的情況。

　　閱讀器的靈敏度與距離(反向距離)

　　由上面的方程大家就可以清楚的計(jì)算出來(lái)標(biāo)簽可以工作多遠(yuǎn)了。但是經(jīng)常有人問(wèn)我，為什么這個(gè)讀寫器加大了功率反而工作距離變近了呢?這里就要談到另外一個(gè)指標(biāo)——閱讀器靈敏度。剛剛的這個(gè)問(wèn)題就是因?yàn)殚喿x器靈敏度差引起的。

　　前面我們提到的Friis方程并總結(jié)的公式是針對(duì)正向距離的，如圖5所示，只是表示標(biāo)簽可以聽(tīng)到閱讀器說(shuō)的話，但是不能說(shuō)明閱讀器能聽(tīng)到標(biāo)簽說(shuō)的話從而完成對(duì)標(biāo)簽的識(shí)別工作。

　　圖5

　　這里要提出一個(gè)概念——反向鏈路。其實(shí)任何一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)都是由兩部分鏈路組成的，一部分是閱讀器發(fā)給標(biāo)簽的命令標(biāo)簽“聽(tīng)到”了，另一部分是標(biāo)簽返回一個(gè)命令讓閱讀器“聽(tīng)到”，這個(gè)鏈路就算完成了，也就是我們常說(shuō)的讀到標(biāo)簽了。那么反向鏈路也就是閱讀器聽(tīng)到的能量是多少呢?請(qǐng)看圖6。

　　圖6

　　這個(gè)圖很明確地表示出了閱讀器也要聽(tīng)到標(biāo)簽“說(shuō)的話”，由于標(biāo)簽是一個(gè)無(wú)源設(shè)備，返回的能量非常小，對(duì)閱讀器的靈敏度要求也很高，這就是對(duì)閱讀器靈敏度的要求了。

　　這里來(lái)舉兩個(gè)例子分別針對(duì)正向功率受限和反向閱讀器靈敏度受限。圖7中的兩個(gè)圖，分別代表高性能大功率閱讀器和低性能小功率閱讀器讀取距離的差異。第一個(gè)圖(正向受限)標(biāo)簽靈敏度-10dBm閱讀器靈敏度-80dBm(兩條藍(lán)線)，正向能量和反向能量隨距離的變化曲線(兩條紅線)。可以看到標(biāo)簽可以工作6m的距離，閱讀器可以工作12m的距離，取最小一個(gè)，其工作距離是6m，由正向距離決定。下面第二張圖同理可以看出標(biāo)簽的靈敏度是-10dBm，而閱讀器靈敏度-30dBm。那么正向距離正向3m，反向距離1.5m，其工作距離為1.5m，是有反向距離決定的(閱讀器靈敏度)。

　　圖7

　　有很多閱讀器在輸出功率大的時(shí)候靈敏度急劇下降，最終導(dǎo)工作距離大幅下降反而沒(méi)有輸出功率低的時(shí)候距離遠(yuǎn)。在使用低性能閱讀器的時(shí)候，最好的方法不是增大功率而是增大天線，增大天線可以增加工作距離而不影響系統(tǒng)的靈敏度。

　　天線是一個(gè)很神奇的東西，RFID也是一個(gè)很神奇的東西，里面的故事很多很多，等待大家一同去探索。在掌握了RFID技術(shù)和天線技術(shù)之后會(huì)有大量的項(xiàng)目等著我們?nèi)?shí)現(xiàn)。