RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)

RFID(Radio Frequency。Identification，射頻識(shí)別技術(shù))是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。它的核心部件是讀寫器和電子標(biāo)簽，通過(guò)相距幾厘米到幾米距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的無(wú)線電波，可以讀取電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息，識(shí)別電子標(biāo)簽代表的物品、人和器具的身份。RFID技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了大量的應(yīng)用，在公共交通、地鐵、校園、社會(huì)保障等領(lǐng)域均有應(yīng)用。本文主要通過(guò)實(shí)際工作中對(duì)于各種RFID讀寫系統(tǒng)的對(duì)比，總結(jié)研究RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)中比較實(shí)用的方法。

1 實(shí)際RFID天線設(shè)計(jì)主要考慮物理參量

1．1 磁場(chǎng)強(qiáng)度

運(yùn)動(dòng)的電荷或者說(shuō)電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小用磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)表示。RFID天線的作用距離，與天線線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)。

圓形線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度(在近場(chǎng)耦合有效的前提下，近場(chǎng)耦合有效與否的判斷在1．3節(jié))可用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中：H是磁場(chǎng)強(qiáng)度；I是電流強(qiáng)度；N為匝數(shù)；R為天線半徑；x為作用距離。

對(duì)于邊長(zhǎng)ab的矩形導(dǎo)體回路，在距離為x處的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線可用下式計(jì)算。

結(jié)果證實(shí)：在與天線線圈距離很小(x<R)的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度的上升是平緩的。較小的天線在其中心(距離為0)處呈現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，相對(duì)來(lái)講，較大的天線在較遠(yuǎn)的距離(x>R)處呈現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮這種效應(yīng)，如圖1所示。

1．2 最佳天線直徑

在與發(fā)射天線的距離x為常數(shù)并簡(jiǎn)單地假定發(fā)射天線線圈中電流I不變的情況下，如果改變發(fā)送天線的半徑R時(shí)，就可以根據(jù)距離x與天線半徑R之間的關(guān)系得到最大的磁場(chǎng)強(qiáng)度H。這意味著：對(duì)于每種射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的天線半徑R。如果選擇的天線半徑過(guò)大，那么在與發(fā)射天線的距離x=0處，磁場(chǎng)強(qiáng)度是很小的；相反，如果天線半徑的選擇太小，那么其磁場(chǎng)強(qiáng)度則以z的三次方的比例衰減，如圖2所示。

不同的閱讀器作用距離，有著不同的天線最佳半徑，它對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線最大值。

從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，也即對(duì)R求導(dǎo)，如式(3)所示：

從公式的零點(diǎn)中計(jì)算是拐點(diǎn)以及函數(shù)的最大值。

發(fā)射天線的最佳半徑對(duì)應(yīng)于最大期望閱讀器的2孺值。第二個(gè)零點(diǎn)的負(fù)號(hào)表示導(dǎo)電路的磁場(chǎng)強(qiáng)度在x軸的兩個(gè)方向傳播。這里需要指出的是，使用此式的前提條件，是近場(chǎng)耦合有效。下面簡(jiǎn)介近場(chǎng)耦合的概念。

1．3 近場(chǎng)耦合

真正使用前面所提到的公式時(shí)，有效的邊界條件為：

d《R以及x<λ／2π，原因是當(dāng)超出上述范圍時(shí)，近場(chǎng)耦合便失去作用了，開始過(guò)渡到遠(yuǎn)距離的電磁場(chǎng)。一個(gè)導(dǎo)體回路上的初始磁場(chǎng)是從天線上開始的。在磁場(chǎng)的傳輸過(guò)程中，由于感應(yīng)的增加也形成電場(chǎng)。這樣，最原始的純磁場(chǎng)就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成了電磁場(chǎng)。當(dāng)距離大于λ／2π的時(shí)候，電磁場(chǎng)最終擺脫天線，并作為電磁波進(jìn)入空間。在作為電磁波進(jìn)入空間之前的這個(gè)范圍，就叫做天線的近場(chǎng)，本文所涉及的RFID天線設(shè)計(jì)，是基于近場(chǎng)耦合的概念。所以距離應(yīng)當(dāng)限定在上述的范圍之內(nèi)。

1．4 調(diào)諧

RFID系統(tǒng)讀寫器可以等效為一個(gè)R-L-C串聯(lián)電路，其中R為繞線線圈的電阻，L為天線自身的電感。一般調(diào)諧過(guò)程當(dāng)中，由于天線線圈本身的電容對(duì)于諧振的影響很小，可以忽略不計(jì)，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流，需要外加一個(gè)電容C，完成對(duì)天線的調(diào)諧，達(dá)到這一目的。而調(diào)諧電容，天線的電感以及工作頻率之間的關(guān)系，可以通過(guò)以下湯姆遜公式求得，即：