遠距離RFID讀寫天線的研究

　?。鼻把?/P>

　　射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術。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，實現運動目標識別、多目標識別，其突出優(yōu)點是環(huán)境適應性強，能夠穿透非金屬材質，數據存儲量大，抗干擾能力強。目前的讀寫器遠遠不能滿足應用要求，因此，需要一款遠距離讀寫器配合遠距離天線，實現遠距離水平或垂直方向的讀寫要求。這里給出一種遠距離RFID讀寫天線的設計方案，采用射頻標簽專用讀寫器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讀寫天線的設計

　　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，其作用是產生磁通量，為標簽(無源)提供電源，并在讀寫器和標簽之間傳遞信息。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

　　2.2.1 電子標簽的方向性

　　由于無源電子標簽是通過與讀寫器天線磁場耦合來獲得能量，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器天線處于最佳耦合時，磁力線與電子標簽成直角。電子標簽能夠獲得最好的讀寫效果。但是，若將電子標簽移動到天線的兩側，這時標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)。經反復實驗證明將電子標簽擺放位置轉到與最佳位置成40°角區(qū)域時，一般可正常讀寫操作。

　　2.2.3 天線品質因數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度越大，輸出功率越強，讀寫距離就越遠。品質因數Q的計算公式為：

　　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很容易計算出天線帶寬B：

　　由式(2)可看出，天線的傳輸帶寬B與品質因數Q成反比。因此，過高的品質因數將導致帶寬縮小，降低讀寫器的調制邊帶信號幅度，導致讀寫器無法與標簽通 信。天線Q值與3 dB帶寬的關系曲線如圖3所示。由圖3可看出：環(huán)形天線與50 Ω的負載相連時，其Q值最好不超過30。為了優(yōu)化天線的性能。讀寫器匹 配電路的駐波比應小于1：1.2。

　　天線設計完成后，使用矢量網絡分析儀測量天線品質因數及帶寬。若帶寬不符合要求，可加并聯(lián)電阻調整。

　　設天線的諧振電阻為Rpor，理 想品質因數為Qreqtuired，則：

　　假設利用頻譜分析儀實測的天線品質因數為Qreqtuired，則相應天線的阻抗為：

　　最終天線需要并聯(lián)電阻R：

　　該設計按以上步驟設計天線品質因數，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度有關，天線越大，輸出功率越大，讀寫距離就越 遠。但隨著天線尺寸增大，也出現了其他問題：信噪比下降;為符合國內外的電磁兼容標準要求，可能需要實施電磁屏蔽措施;讀寫器天線的磁場回旋盲區(qū)將會擴 張，在磁場盲區(qū)電子標簽無法作出響應：電子標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，當輻射功率達0.8 W時，可實現50 cm的有效讀寫距離。若采用雙天線，則可實現超過1 m的 有效讀寫距離。

　　2.2.5 匹配網絡

　　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，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技術的電 感耦合式射頻識別系統(tǒng)電路。

　　3 結論

　　RFID讀寫器要實現遠距離讀寫功能關鍵在于天線的設計，通過研究RFID天線工 作原理及其性能參數，提出一種有效的天線設計優(yōu)化方案，從而使讀寫器具有更遠的讀寫距離和更高的能量利用率。經實驗證明：RFID讀寫器配上優(yōu)化后的遠距 離射頻天線可使讀寫距離達到30 cm。