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远距离 RFID 读写天线的研究
作者：张责艳 张明扬
来源：电子设计工程
日期：2010-01-25 11:44:10
摘要：这里给出一种远距离RFID读写天线的设计方案，采用射频标签专用读写器RI-R6C-001A，该器件要求天线阻抗为50 Ω，频率为13．56 MHz，因此采用_亡艺简单、低成本的PCB环形天线。
1 引言
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它利用射频信号的空间耦合传递非接触信息，并通过所传递的信息识别对象。RFID解决无源(卡中无电源)和免接触两大难题，实现运动目标识别、多目标识别，其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强。目前的读写器远远不能满足应用要求，因此，需要一款远距离读写器配合远距离天线，实现远距离水平或垂直方向的读写要求。这里给出一种远距离RFID读写天线的设计方案，采用射频标签专用读写器RI-R6C-001A，该器件要求天线阻抗为50 Ω，频率为13．56 MHz，因此采用_亡艺简单、低成本的PCB环形天线。
2 RFID读写天线的设计
2．1 RFID读写天线工作原理
天线是发射和接收射频载波信号的设备。在工作频率和带宽确定的条件下，天线发射射频处理模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射的射频载波，其作用是产生磁通量，为标签(无源)提供电源，并在读写器和标签之间传递信息。天线性能的优劣对系统整体性能起着非常关键的作用。RFID天线的读写距离取决于诸多因素：天线的尺寸、方向性、天线的位置、所处频段的电气特性及周围环境等。
2．2 RFID读写天线各性能参数
2．2．1 电子标签的方向性
由于无源电子标签是通过与读写器天线磁场耦合来获得能量，所以标签的方向性直接影响耦合系数，近而影响能量的获取和通信的可靠性。当标签的方向性和读写器天线处于最佳耦合时，磁力线与电子标签成直角。电子标签能够获得最好的读写效果。但是，若将电子标签移动到天线的两侧，这时标签的放置位置和磁力线方向平行。此时方向性最差，读写效果也最差。图1为天线的磁力线分布模拟图。
由于环形天线的电磁场在其临近区域分布不均匀，因此会出现读写盲区。如图2中黑线勾勒出的范围之外区域一般为单个天线的读写盲区。经反复实验证明将电子标签摆放位置转到与最佳位置成40°角区域时，一般可正常读写操作。
对于电感耦合式射频识别系统的天线．在其尺寸不变的情况下，Q值越大意味着天线线圈中的电流强度越大，输出功率越强，读写距离就越远。品质因数Q的计算公式为：
由式(2)可看出，天线的传输带宽B与品质因数Q成反比。因此，过高的品质因数将导致带宽缩小，降低读写器的调制边带信号幅度，导致读写器无法与标签通信。天线Q值与3 dB带宽的关系曲线如图3所示。由图3可看出：环形天线与50 Ω的负载相连时，其Q值最好不超过30。为了优化天线的性能。读写器匹配电路的驻波比应小于1：1．2。
天线设计完成后，使用矢量网络分析仪测量天线品质因数及带宽。若带宽不符合要求，可加并联电阻调整。
设天线的谐振电阻为Rpor，理想品质因数为Qreqtuired，则：
假设利用频谱分析仪实测的天线品质因数为Qreqtuired，则相应天线的阻抗为：
最终天线需要并联电阻R：
该设计按以上步骤设计天线品质因数，其Qrequired=30。
2．2．4 天线尺寸
一般情况下．读写器识别距离与读写器的天线装置及磁场强度有关，天线越大，输出功率越大，读写距离就越远。但随着天线尺寸增大，也出现了其他问题：信噪比下降；为符合国内外的电磁兼容标准要求，可能需要实施电磁屏蔽措施；读写器天线的磁场回旋盲区将会扩张，在磁场盲区电子标签无法作出响应：电子标签的天线与读写器的天线之间匹配问题更难解决。如果电感太大，甚至可能无法解决。天线的最大几何尺寸同工作波长之间有一个界限，一般定义为：
式中，L是天线的最大尺寸，λ是工作波长。
对于13．6 MHz的射频识别系统来说，天线的最大尺寸应选用50 cm左右。采用尺寸大小为50 cm×50 cm的单一天线读写器，当辐射功率达0．8 W时，可实现50 cm的有效读写距离。若采用双天线，则可实现超过1 m的有效读写距离。
2．2．5 匹配网络
本文研究的RFID读写器频率为13．56 MHz，为有效抑制功率反射、寄生辐射等高频效应，通常是将读写器天线通过同轴电缆连接到读写器的高频模块，同轴电缆阻抗为50 Ω。因此，天线的阻抗匹配就是通过一定的无源匹配电路来改变读写器天线的输入阻抗，使其与同轴电缆的阻抗保持一致，这样就可使能量通过同轴电缆几乎无损失的从读写器传送出去。图4为采用50 Ω技术的电感耦合式射频识别系统电路。
3 结论
RFID读写器要实现远距离读写功能关键在于天线的设计，通过研究RFID天线工作原理及其性能参数，提出一种有效的天线设计优化方案，从而使读写器具有更远的读写距离和更高的能量利用率。经实验证明：RFID读写器配上优化后的远距离射频天线可使读写距离达到30 cm。
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它利用射频信号的空间耦合传递非接触信息，并通过所传递的信息识别对象。RFID解决无源(卡中无电源)和免接触两大难题，实现运动目标识别、多目标识别，其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强。目前的读写器远远不能满足应用要求，因此，需要一款远距离读写器配合远距离天线，实现远距离水平或垂直方向的读写要求。这里给出一种远距离RFID读写天线的设计方案，采用射频标签专用读写器RI-R6C-001A，该器件要求天线阻抗为50 Ω，频率为13．56 MHz，因此采用_亡艺简单、低成本的PCB环形天线。
2 RFID读写天线的设计
2．1 RFID读写天线工作原理
天线是发射和接收射频载波信号的设备。在工作频率和带宽确定的条件下，天线发射射频处理模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射的射频载波，其作用是产生磁通量，为标签(无源)提供电源，并在读写器和标签之间传递信息。天线性能的优劣对系统整体性能起着非常关键的作用。RFID天线的读写距离取决于诸多因素：天线的尺寸、方向性、天线的位置、所处频段的电气特性及周围环境等。
2．2 RFID读写天线各性能参数
2．2．1 电子标签的方向性
由于无源电子标签是通过与读写器天线磁场耦合来获得能量，所以标签的方向性直接影响耦合系数，近而影响能量的获取和通信的可靠性。当标签的方向性和读写器天线处于最佳耦合时，磁力线与电子标签成直角。电子标签能够获得最好的读写效果。但是，若将电子标签移动到天线的两侧，这时标签的放置位置和磁力线方向平行。此时方向性最差，读写效果也最差。图1为天线的磁力线分布模拟图。
由于环形天线的电磁场在其临近区域分布不均匀，因此会出现读写盲区。如图2中黑线勾勒出的范围之外区域一般为单个天线的读写盲区。经反复实验证明将电子标签摆放位置转到与最佳位置成40°角区域时，一般可正常读写操作。
对于电感耦合式射频识别系统的天线．在其尺寸不变的情况下，Q值越大意味着天线线圈中的电流强度越大，输出功率越强，读写距离就越远。品质因数Q的计算公式为：
由式(2)可看出，天线的传输带宽B与品质因数Q成反比。因此，过高的品质因数将导致带宽缩小，降低读写器的调制边带信号幅度，导致读写器无法与标签通信。天线Q值与3 dB带宽的关系曲线如图3所示。由图3可看出：环形天线与50 Ω的负载相连时，其Q值最好不超过30。为了优化天线的性能。读写器匹配电路的驻波比应小于1：1．2。
天线设计完成后，使用矢量网络分析仪测量天线品质因数及带宽。若带宽不符合要求，可加并联电阻调整。
设天线的谐振电阻为Rpor，理想品质因数为Qreqtuired，则：
假设利用频谱分析仪实测的天线品质因数为Qreqtuired，则相应天线的阻抗为：
最终天线需要并联电阻R：
该设计按以上步骤设计天线品质因数，其Qrequired=30。
2．2．4 天线尺寸
一般情况下．读写器识别距离与读写器的天线装置及磁场强度有关，天线越大，输出功率越大，读写距离就越远。但随着天线尺寸增大，也出现了其他问题：信噪比下降；为符合国内外的电磁兼容标准要求，可能需要实施电磁屏蔽措施；读写器天线的磁场回旋盲区将会扩张，在磁场盲区电子标签无法作出响应：电子标签的天线与读写器的天线之间匹配问题更难解决。如果电感太大，甚至可能无法解决。天线的最大几何尺寸同工作波长之间有一个界限，一般定义为：
式中，L是天线的最大尺寸，λ是工作波长。
对于13．6 MHz的射频识别系统来说，天线的最大尺寸应选用50 cm左右。采用尺寸大小为50 cm×50 cm的单一天线读写器，当辐射功率达0．8 W时，可实现50 cm的有效读写距离。若采用双天线，则可实现超过1 m的有效读写距离。
2．2．5 匹配网络
本文研究的RFID读写器频率为13．56 MHz，为有效抑制功率反射、寄生辐射等高频效应，通常是将读写器天线通过同轴电缆连接到读写器的高频模块，同轴电缆阻抗为50 Ω。因此，天线的阻抗匹配就是通过一定的无源匹配电路来改变读写器天线的输入阻抗，使其与同轴电缆的阻抗保持一致，这样就可使能量通过同轴电缆几乎无损失的从读写器传送出去。图4为采用50 Ω技术的电感耦合式射频识别系统电路。
3 结论
RFID读写器要实现远距离读写功能关键在于天线的设计，通过研究RFID天线工作原理及其性能参数，提出一种有效的天线设计优化方案，从而使读写器具有更远的读写距离和更高的能量利用率。经实验证明：RFID读写器配上优化后的远距离射频天线可使读写距离达到30 cm。
