通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

　　无线射频识别(RFID)读写器的读写距离取决于诸多因素，如RFID读写器的传输功率、读写器的天线增益、读写器IC的灵敏度、读写器的总体天线效率、周围物体(尤其是金属物体)及来自附近的RFID读写器或者类似无线电话的其他外部发射器的射频(RF)干扰。

　　计算功率密度

　　读写天线发射之RF电磁波的功率密度大小计算如公式1所示。其中，Sr=功率密度，Pt=读写天线的发射功率，Gt=读写天线的增益，R=读写天线的发射距离。

　　Sr = PtGt/4πR2-----------------------------------------------公式1

　　从公式1可知，功率密度与距离的平方成反比。在理想情况下，此公式才成立，例如在不存在衰减RF信号的物体、可能产生干扰的外部发射器，以及来自同一信号源产生其他干扰模式之多径效应的微波暗室内。以下将针对这些因素进行更详细地讨论。

　　考虑天线增益

　　天线增益的单位是dBi，dBi代表一根天线与假设等向天线(HypotheTIcal Isotropic Antenna)相比之下的正向增益;假设等向天线会在所有方向均匀地分配能量。在设计天线的结构时，应使其在某个方向的辐射能量比另一个方向的还要多，从而实现更高的增益。以洒水头为例子，就可以对此有比较深入的理解，如集中喷射、水流变窄及水射出的距离增加，此与提高天线增益类似，即在某个方向集中能量辐射。

　　留意天线3dB波束宽度及半功率点

　　提高读写器的读/写距离，必须考虑另一个重要的天线特性，即由天线产生的3dB波束宽度图样。如图1所示的3dB波束宽度，包含75%的射频能量。在此范围内，读写器具有最佳读写性能。3dB波束宽度取决于天线增益。例如，天线增益越高，能量越集中，3dB波束宽度就越窄。

　　图1 由天线产生的3dB波束宽度

　　3dB波束宽度还可用来描述波束的半功率点，即射频能量减小到一半的位置。此外，图1还显示出大部分天线都会展示的旁瓣(Side Lobe)。读写器可以在此方向区域上进行读写，但是其读写距离将大幅缩短。

　　优化读写器读写距离

　　为了将RFID读写器的读写距离延到最长，应该考虑下列所描述的技术。首先，在规定区域发射规定下，将有效等向辐射功率(EIRP)提到最高。例如，美国联邦通信委员会(FCC)15.247章节规定EIRP所允许的最大值是4瓦(W)(36dBm)。这意味着采用9dBiL的天线，RFID读写器传输给天线的功率，包括电缆损失在内，不得超过27dBm。另一方面，对于6dBiL天线来说，传输功率不得超过30dBm。表1列出一些使用RFID的国家和地区所允许的EIRP最大值。

　　对于读写器天线前面(视轴)同一点处发射的RF信号而言，与天线增益有关的一个重要特性是与线极化(Linearly Polarized)天线6dBiL类似的圆极化(Circularly Polarized)天线9dBiC。这是因为线极化天线在同一轴上结合了电场分量的x分量和y分量，从而在这个特定方向能量提高3dB(～29%)。

　　然而，线极化天线不允许读写器方向的灵活性。换句话说，读写器必须指向读写天线极化相同的方向，否则读写器将接收不到能量。

　　另一方面，圆极化天线有两个互成90度的电场分量(图2)。因此，能量在两个相互正交的轴间分配，与在自由空间中传播的线极化RF信号相比，每一轴所含的能量低于3dB。

　　图2 圆极化天线有两个互成90度的电场分量

　　在这种情况下，其优势是在相对于天线的方向，读写器没有任何限制。这意味着读写器可在任何方向转动，且接收的能量基本上一致。而其缺点是询问天线每根轴传递的能量比线极化系统降低3dB。选择线极化或圆极化天线，要视具体应用而定。

　　其次，清除天线和读写器附近的所有物体是非常重要的。天线和读写器间的视线方向必须没有障碍物。如果清除所有物体，视线方向上没有任何阻碍，RF电磁波的自由空间损耗(FSL)可由公式2计算得出，其中r=至读写器的距离，λ=EM波长。

　　FSL = 20Log(4πr/λ)-----------------------------------------------公式2

　　RF电磁波通过介电常数超过1.0(ε》1.0)的物体，如木材、塑料或橡胶材料，根据公式2，FSL大概为36dB。由于RF信号传播的衰减，读写器的读写距离也会显著地缩短。

　　此外，周围物体会导致RF信号产生“多径效应”，导致RF场内区域出现RF能量振荡的零点和幅点(图3)。图3显示相长(同相)和相消(异相)两种入射波。相长的两种入射波可将具体区域的能量提高3dB左右，并显著地延长读写器的读写距离。

　　图3 相长(同相)和相消(异相)两种入射波示意图

　　另一方面，相消干扰会导致两种入射RF电磁波相互抵消，因而产生的区域会变成一个“零”，在激发读写器时，此区域会呈现能量不足。这是一种典型的RFID环境。

　　再者，如果沿着线极化天线有一台频谱分析仪，则应进行RF测量以了解是否存在干扰读写器RF电磁波和影响读写器能量大小的外部发射器。倘若存在外部发射器，而且这些发射器的RF频道处于RFID询问器的工作频率范围内，这可能会显著缩短读写器的读写距离。外部发射器是指无线电话和附近其他的RFID阅读器。

　　某些国家，如美国要求所有FCC 15.247认证的阅读器都要采用跳频展频(FHSS)技术。在这种配置下，读写器伪随机地(Pseudo-randomly)在其全部五十个频道上“跳跃”，在每一频道的最长停留时间为400毫秒(ms)。这有利于减少RFID阅读器向其周围发射的干扰量及减少其接收的干扰量。

　　一般说来，当外部发射器的频道与读写器处于同一频带范围内，当其任何频道上强度大于-30dBm时，则必须进行处理。可采取以下几种措施：定位干扰源，确定其是否可以关闭，或者降低其传输功率;采用某种金属片或物体进行屏蔽，避免外部发射器的影响;将RFID装置远离外部发射器;将读写天线指向偏离外部发射器的方向;确保读写系统(RFID阅读器和询问器天线)所在地区的功率发射限制所允许的最高EIRP;设置软件，以避免外部发射器所在的RF频道位于读写器频带范围内。

　　此外，读写器灵敏度随RFIC型号不同而有所不同。因此，与灵敏度较高的读写器相比，灵敏度较低的读写器的读写距离更短。但在某些情况下，并不会优先考虑灵敏度较高的RFIC。例如，在供应链应用中，采用可携式RFID读写器来监测库存，并不要求特别远的读写距离。而对于电子车辆登记(EVR)和电子车辆识别(EVI)等应用来说，必须具有更远的读写距离，因而需要更高的灵敏度。所以灵敏度的大小要求与具体应用有关。

　　最后，读写器天线效率是影响读写器读写距离的另一项因素。与读写器IC输入阻抗相匹配的天线设计，可以改善总体效率，获得更大的读写距离。RFIC输入阻抗一般在其对应数据表中可以找到。

　　读写器天线的设计应与数据表的输入阻抗有适当的匹配。一般说来，这意味着将天线调节到所需频带的中心频率。此频带要视读写器的使用地区而定。表2列出一些国家和地区所允许的频率和相应的监管机构。