远距离RFID读写天线的研究

　　１前言

　　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。

　　2.2.2 天线盲区

　　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。

　　2.2.3 天线品质因数Q

　　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：

　　式中，f0是工作频率(13.56 MHz)，L是天线的等效电感，R是天线的等效并联电阻。通过p很容易计算出天线带宽B：

　　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。