高频天线性能增强方法研究

　　此研究是基于RFID(Radio Frequency Identification，RFID)系统中的电子标签产品展开的。RFID 系统越来越多的应用到日常生活中，其中电子标签的防伪功能是 RFID 系统一个特别重要的应用，例如在烟酒等行业中用到的防伪电子标签，消费者可以用终端设备识别电子标签来判断商品的真伪。电子标签附着在商品上销售之初为了在外观上与原包装没有太大的区别，也不改变商品现有的生产线现状，实现最低的生产线改动成本来增加这一工序。措施大多是会把电子标签封装在商品原有的防伪贴纸上。原有的贴纸尺寸都较小，随着高端商品的包装越来越高大上，商品与包装盒之间的距离也越来越大。而要实现防伪又不能把真正的标签贴在外面的包装盒上，这样附加在商品上的小尺寸的电子标签要满足在一定的距离被绝大多数的用户终端产品识别到就需要一种能增强天线性能的方法。

　　1 基于有限元方法的仿真

　　基于亥姆霍兹线圈磁场叠加的原理用有限元的方法[1-3]建模。如图 1 所示，模型中有三个线圈，最下面的线圈设为工作天线即电子标签，中间线圈为附加线圈，上面的线圈为场强检测天线即终端产品天线。三个线圈间隔一定的距离不直接连接，为三个独立体。为实现亥姆霍兹线圈的两线圈电流方向相同，磁场叠加的效果，中间的附加线圈为开路线圈。

　　这里假设实际商品与外包装之间间隔 5.5 cm，建模按照两天线之间的距离为 5.5 cm 进行，按下面几个标题进行仿真并分析数据。

　　1.1 线圈与工作天线大小相同且正对

　　建模模型参照图 1 ，特别的增加了附加线圈为闭合线圈的仿真来确定开路线圈的效果，仿真数据见表1。从表 1 的数据可以看出：

　　(1)以增加开路线圈为例，在距工作天线不同的距离增加线圈对工作天线场强的影响不同。增加线圈可以有效地增加工作天线的场强，但在不同的距离增加同一线圈，工作天线的场强并非线性变化，线圈距离工作天线端越近场强变化越大。

　　(2)由于我们假设场强检测距离固定为 5.5 cm，而从表1数据看在距离工作天线 5 mm 处增加线圈的场强变化最大，所以接下来在距离工作天线 5 mm 处比较附加开路线圈和短路线圈的区别。

　　(3)对比开路线圈和短路线圈，开路线圈能更好的应用于项目。

　　对距离工作天线 5 mm 时附加线圈的结果进行分析。仿真得到工作天线 0 deg 和 180 deg 相位时的电流方向如图 2 和图 3 所示，并得到无附加线圈时电流最大强度为 9.0 A/m，有附加线圈时电流增大为3.39 e2 A/m。

　　附加的开路线圈由于线圈与工作天线线圈相同，并在工作天线加激励处断开，所以线圈在电磁场环境中相当于一个天线，感应电流的方向仍然与工作天线电流方向相同，同样间隔 180 deg 相位时电流方向发生反转如图 4 和图 5 所示，线圈产生的磁场方向与工作天线一致，磁场叠加起到增强磁场的作用。

　　附加闭合线圈在变化的电磁场环境中产生的感应电流则是与工作天线电流反向的如图 6 和图 7 所示，此时线圈产生的磁场与工作天线互相抵消，削弱了工作天线的辐射。而亥姆霍兹线圈之所以是两个闭合线圈的磁场相互叠加是因为两闭合线圈之间短接使两个线圈电流相同。

　　由此得出结论在电磁场环境中，工作天线附近增加一开路线圈时的效果与亥姆霍兹线圈的原理等效，由于线圈不直接连接，操作更加灵活。后面的讨论皆以增加开路线圈展开。

　　1.2 线圈与标签大小相等不正对

　　模型以图 1 为基础，线圈与工作天线不正对，保持线圈与工作天线之间的距离不变，线圈向左或向右水平平移线圈宽度一半的距离。表 2 线圈与工作天线间隔 5 mm 时距标签 5.5 cm 时的场强。

　　线圈偏移时增加的场强要比正对时小但也远大于没有附加线圈时的场强。

　　1.3 线圈变小

　　模型以图 1 为基础，线圈与工作天线正对，线圈尺寸缩小为现有尺寸的一半。

　　线圈变小，线圈与标签天线水平平行放置时，场强有一定的增加但已经不明显，且当小线圈放置长边方向与标签天线长边方向垂直时，抵消了大部分中间场强，在 5.5 cm 时已经趋近于 0 A/m(表 3)。

　　1.4 任意线圈

　　本研究所加单圈大环线圈主要表现为远场特性，对近场几乎没有帮助。

　　1.5 仿真结论

　　此次研究是有意义的，如果工作天线固定,可以在相应的距离上增加相应大小的开路线圈增强工作天线的场强。而工作天线可以是电子标签天线也可以是终端设备天线。

　　2 实验验证

　　实验采用的设备与电子标签都是北京中电华大电子设计有限责任公司简称华大电子所有的。且电子标签为对应仿真的实物，见表 4 所示。

　　搭建环境如图 8 所示，找一个可看清线圈位置的阅读器天线，且天线按实际应用放置，通过改变低介电常数介质的高度来改变附加线圈的位置，测试识别电子标签的距离。

　　测试分两方面来进行，一是附加线圈距离阅读器天线的距离，二是附加线圈距离电子标签的距离。实测数据见表 5 和表 6。

　　实验可以看到增加线圈确实可以增加标签的识别距离，与仿真结果相符，不管附加线圈放在标签侧还是放在阅读器天线侧，在一定距离处放置附加线圈，识别距离都会增加。

　　进一步验证，利用华大电子的频率测试设备MP300 测试附加线圈后电子标签的频率并找了两款分别谐振在 12 MHz 和 15 MHz 的标签，验证增加线圈后是否有上个实验的结论。从仿真上看到附加线圈的电磁场效应改变了工作天线电流分布，且两者的磁场叠加。这个实验将要进一步验证阻抗是否改变且对工作天线的影响，同时验证哪个因素影响更大一些。实验使用标签如图 9 所示。

　　图 9 左边的标签定为标签 1，尺寸为 67 mm ×37 mm，谐振在 12.61 MHz。中间的标签定为标签 2，直径为 25 mm，谐振在 14.6 MHz。右边的标签定为标签 3，尺寸为 26 mm×11 mm，谐振在 13.56 MHz。且标签 1 做成的线圈称为线圈 1，频率在 19 MHz。标签 2 做成的线圈称为线圈 2，频率在 33 MHz。

　　3 频率测试数据

　　实验用具有频率测试设备 MP300、联想笔记本电脑、非接触天线板、电子标签 1 和电子标签 2。

　　实验思路是把线圈与标签当成一个整体，测试当两者之间距离不同时表现出来的频率。实验数据见表 7 和表 8。

　　分析一下数据，首先说明一下 MP300 的频率范围最高为 24 MHz，所以表 7 表现的频率主要为线圈 1的频率，而表 8 表现的频率主要为标签2的频率，是因为线圈2的频率为 33 MHz 已经测试不到了。从测试结果可以得出以下几点信息，

　　(1)当标签与天线距离加大时，测试出来的整体频点以靠近阅读器的线圈为主要频点。

　　(2)附加线圈在距离标签较近时频率往高偏，随着距离的增加频率往低偏慢慢靠近本身的频率后继续往低偏。

　　(3)而标签正好相反，与线圈距离近时频率往低偏，随着距离的增加频率变高，逐渐恢复。

　　(4)从标签 1 和标签 2 的实验来看，标签 1 原本的频率就偏低，在线圈的影响下就偏的更低了，但是识读距离增加了，可见频偏的影响不是主要的，磁场增加的影响是主要因素。这一点很有意义。

　　因为实验的两个线圈都不是谐振在 13.56 MHz，根据上述第 1 点，我们用本身谐振在 13.56 MHz 的线圈继续做实验，使最终表现出的频率是我们的工作频率。使用图 10 的阅读器天线线圈，称为线圈 4。

　　此时用线圈 4 和线圈 1 作为标签 2 的附加线圈进行测试，这个实验可以看出，附加线圈 4 确实比线圈 1效果要好，为确定线圈频率是否起了作用同时找了几款不同尺寸的阅读器天线线圈，频率都在 13.56 MHz，有些许作用但并没有达到线圈 4 的效果，也验证了前面的结论，磁场的增强占主要因素。

　　进一步的使用手机 NFC 天线对三种标签进行测试，三款标签的尺寸不同，性能有差异，谐振频率不同，但结果与上述实验是一致的。

      4.结语

　　结合仿真和实验，实验设备包括使用高频阅读器、MP300、NFC 手机，各种标签包含了高频测试的大多数设备，标签的频率从 12 MHz 到 15 MHz，也包含了高频标签的大多数频段，通过大量的数据表明，标签与天线之间增加一开路线圈可以增强天线性能，增加识别距离。可以广泛应用在尺寸较小且有一定识别距离要求的项目中。