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远距离RFID读写天线的研究

■张贵艳 张明扬 /1.沈阳理工大学 信息科学与工程学院（辽宁 沈阳·110168）
摘要：自动识别技术是将信息数据自动识读、自动输入计算机的一种重要方法。接触式识别易受恶劣环境影响且易受机械磨损，而射频识别(RFID)技术以非接触性解决了卡中无电源和免接触等难题。通过对射频天线各种性能参数的研究，分析出了远距离RFID读写天线的设计优化方法，使工作频率为13.56MHz，遵循IS015693协议标准的RFID读写器有效读写距离拓展到30cm左右，实现了RFID读写器的远距离读写功能。
关键词：RFID．天线，读写器，射频识别
TP391
：B
：1673-1131(2010)01-024-03
一、引言
射频识别(Radio Frequency Identification．RFID)技术，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（交变磁场或电磁场）实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的[2][3]。RFID技术解决了无源（卡中无电源）和免接触两大难题，同时它可实现运动目标识别、多目标识别、能够广泛应用于各类场合。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。RFID技术广泛应用于物流控制、生产过程监控、智能身份识别．货物管理等领域，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。RFID在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换，射频读写天线的设计是RFID不同应用系统的关键。
目前，频率为13.56MHz的读写器有效识读距离在lOcm左右，而在大量应用中lOcm远远不能满足要求，迫切需要一款远距离读写器配上远距离读写天线，可以实现远距离的水平或垂直方向的读写要求。本文提到的R F-ID读写器采用美国德州仪器公司生产的射频标签专用读写芯片RI-R6C-OOIA，由于该芯片要求的天线阻抗为50Ω，工作频率为13.56MHz．因此采用工艺简单、成本低的PCB环形天线。
二、天线设计
天线是发射和接收射频载波信号的设备。在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射由射频处理模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波。天线的作用就是产生磁通量，为标签（无源）提供电源．在读写设备和标签之间传送信息。天线性能的优劣对系统的整体性能起着非常关键的作用。RFID天线的读写距离取决于很多因素天线的尺寸、天线的方向性、天线的位置、相关的其它材料、所处频段的电气特性以及周围环境[6]。
2.1读写距离
采用尺寸大小为50cm*50cm单一天线的读写器，当辐射功率达0.8W时，可实现50cm的有效读取距离。若采用双天线，则可实现超过Im的有效读取距离。选用越大的天线、输出功率越大，读写器的有效作用距离就越远。然而，当确定最大有效作用距离时，必须考虑天线的电磁辐射安全。
2.2电子标签的方向性
由于无源电子标签是通过和读写器天线通过磁场耦合来获得能量，所以标签的方向性直接影响到耦合系数，进而影响到能量的获取和通信的可靠性。当标签的方向性达到最优，即和读写器天线处于最佳耦合时，磁力线与电子标签成直角，电子标签面对天线，能获得最好的读写效果。但是，如果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的方向平行，即此时的方向性最差．读写效果也最差。在这一区域，当与天线角度合适时．电子标签也可读取。如图1模拟了天线的磁力线分布情况。

2.3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黑线勾勒出的范围之外的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度角的区域时一般也是可以正常进行读写操作的。[5]
2.4天线品质因数
在天线设计中，品质因数Q是一个非常重要的参数。对于电感耦合式射频识别系统的天线来说．在天线尺寸不变的情况下.Q值越大意味着天线线圈中的电流强度越大，即输出功率越强．读写器的读写距离就越远[7]。品质因数的计算公式为：

式中的fo是工作频率(在本射频识别系统中为13.56MHz)，L是天线的等效电感，R是天线的等效并联电阻[10]。通过品质因数可以很容易计算出天线的带宽：

从式中可以看出，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。过高的品质因数会导致带宽缩小，降低读写器的调制边带信号幅度，从而导致读写器无法与标签通信。天线Q值与3dB带宽的关系曲线如图3所示。由图可看出当环形天线与50欧姆的负载相连时，其Q值最好不超过30。为了优化天线的性能，读写器的匹配电路的驻波比应小于1：1.2。

天线初步设计完成后，可以通过使用矢量网络分析仪测量天线品质因数及带宽。如果天线带宽不符合要求，可以通过加入并联电阻的办法进行调整。具体步骤如下：
设天线的谐振电阻为Rpar，理想的品质因数为

最终天线需要并联的电阻R

本设计中按照上面的方法，对天线品质因数进行设计，其Qrequired=30，并且通过实验证明了这种设计的可行性。
2.5天线尺寸
一般情况下，读写器的读写距离与读写器的天线装置及其磁场强度有关，天线越大则读写器读写距离越远，但是随着天线尺寸增大，其它问题也出现了[4]：
1．信噪比会下降
2．为了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
3．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是无法作出响应的
4．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。
选用越大的天线，输出功率越大，读写器的有效作用距离就越远。然而，当确定最大有效作用距离时，必须考虑天线的电磁辐射安全。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，入是工作波长[9]。对于13.6MHz的射频识别系统来说，天线的最大尺寸应该选用50cm左右。[1]
2.6匹配网络
由于本文研究的RFID读写器工作频率为13.56MHz．为了有效的抑制功率反射，寄生辐射等高频效应．普遍的做法是将读写器天线通过同轴电缆连接到读写器的高频模块，同轴电缆的阻抗为50Q。因此，天线的阻抗匹配就是通过一定的无源匹配电路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，这样就可以使能量通过同轴电缆几乎无损失的从读写器传送出去。采用50Q技术的电感耦合式射频识别系统的电路图如图4所示[8]。

三、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，而通过对RFID天线的工作原理及各种性能参数的研究，分析出了一种有效的天线设计优化方法，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以使读写器的识别距离达到30cm左右。参考文献
[l]吴启满，基于MFRC500的RFID读写器的设计[D]．两安：西安交通大学．2008年．
[2]赵军辉．射频识别技术与应用[M]．北京：机械工业出版社，2008年．
[3]张成海，张铎．现代自动识别技术与应用[M]．北京：清华大学出版社，2003年．
[4]陈鹏，长距离HF射频识别关键技术研究与实现[D]．广州：华南理工大学，2006年．
[5]郭帅．远距离RFID读卡器设计[D].大连：大连理工大学，2005年．
[6]林昌禄，天线工程手册[M]．北京：电子工业出版社，2002年．
[7]刘欣，杨晖，远距离RFID天线设计[J]．仪表技术．2005年第5期：82页～83页．
[8]刘舒祺，牟志刚．RFID系统中的PCB环型天线设计[J]．单片机与嵌入式系统应用．2007年第1期：5页-7页．
[9]刘舒祺．RFID阅读器与智能车辆识别方案研究[D]．苏州：苏州大学，2005年．
[10]郑杰，徐晶．RFID读写器天线的研究与设计[J]微计算机信息．2007年第23卷第8-2期：228页～230页，
作者简介
张贵艳，1982年，女，河北唐山，硕士，在读研究生，研究方向为射频识别，无线通信等方面；
张明扬，1963年，男，浙江，硕士，教授，研究方向为自动识别技术，智能卡相关设备及系统的应用。

-全文完-