摘 要：在物品識(shí)別領(lǐng)域，RFID技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展對(duì)RFID標(biāo)簽的讀出距離不斷提出新的要求。通過(guò)對(duì)增加UHF 900 MHz頻段無(wú)源電子標(biāo)簽閱讀距離的主要方法的研究，著重從電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)中的如下幾個(gè)要素進(jìn)行了探討：天線及標(biāo)簽芯片阻抗匹配、天線及標(biāo)簽芯片的品質(zhì)因數(shù)以及標(biāo)簽基底材料的選擇。

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關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；標(biāo)簽；閱讀距離；阻抗匹配

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0103803

Analysis of Factors in Influencing Read Range of UHF Passive RFID Tag

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YIN Shaofei，XIONG Lizhi

(Invengo Information Technology Co.Ltd.，Shenzhen，518057，China)

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Abstract：In the field of product identification，read range of RFID tags have to meet new continual requirements as the application of RFID technology developed rapidly.Though investigation on increasing read range of UHF passive tags which are working in the 900MHz frequency band，factors such as impedance matching and the effect of quality factors between the antenna and tag chip，selection of tag substrate were concluded as of crucial importance during RFID tag design.

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Keywords：RFID;tag;read range;impedance matching

1 引 言

超高頻無(wú)源 RFID 標(biāo)簽(UHF Passive RFID Tag)是指工作頻率在300 MHz~3 GHz之間的超高頻頻段內(nèi)，無(wú)外接電源供電的RFID標(biāo)簽。這種超高頻無(wú)源RFID標(biāo)簽由于其工作頻率高，可讀寫距離長(zhǎng)，無(wú)需外部電源，制造成本低^[1-4]。加之目前我國(guó)在UHF 900 MHz頻段的RFID標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立，目前已成為了RFID研究的重點(diǎn)方向之一，在不久的將來(lái)有可能成為RFID領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

然而，由于標(biāo)簽設(shè)計(jì)水平的局限和干擾源的廣泛存在，目前制約900 MHz頻段的UHF RFID標(biāo)簽應(yīng)用的問(wèn)題較多，主要體現(xiàn)在讀出距離不夠和相對(duì)較高的誤碼率，而誤碼率往往會(huì)隨著標(biāo)簽與讀出器天線的距離增加呈指數(shù)上升，故仍可以歸結(jié)為實(shí)際有效的讀出距離減小。

本文在RFID系統(tǒng)中讀出器各性能指標(biāo)確定的情況下討論標(biāo)簽設(shè)計(jì)對(duì)讀出距離的影響。讀出距離的首要決定因素是標(biāo)簽芯片的最低工作電壓(也即啟動(dòng)電壓)，在共軛阻抗匹配的前提下高的品質(zhì)因數(shù)有助于得到高的標(biāo)簽芯片輸入電壓，但過(guò)高的天線品質(zhì)因數(shù)會(huì)影響天線對(duì)反向散射能量的接收。另外，需要注意標(biāo)簽的應(yīng)用環(huán)境，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境選擇合適的標(biāo)簽基底材料，以保證標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用中的閱讀距離。

2 天線及標(biāo)簽芯片阻抗匹配對(duì)讀出距離的影響?yīng)?/p>

圖1為典型的UHF頻段無(wú)源RFID標(biāo)簽(也稱應(yīng)答器)反向散射調(diào)制模塊圖解。標(biāo)簽芯片主要由電源恢復(fù)電路、參考電壓產(chǎn)生電路、調(diào)制/解調(diào)電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路、存儲(chǔ)及數(shù)字控制電路構(gòu)成。

ZI(xiàn)C是隨VI(xiàn)C變化而呈非線性變化的，出于要得到最大讀出距離的目的，后面的討論都集中在標(biāo)簽芯片在最低工作電壓附近。在這個(gè)范圍內(nèi)，最大讀出距離主要受兩個(gè)因素的制約，其一是標(biāo)簽芯片工作所需的最低工作電壓，其二是在RFID系統(tǒng)中讀寫器靈敏度確定時(shí)標(biāo)簽天線反向散射所能接收到的最小信號(hào)能量。

3 品質(zhì)因數(shù)對(duì)讀出距離的影響?yīng)?/p>

在圖2所示的等效電路中，當(dāng)滿足諧振條件：



根據(jù)交流電路的頻率諧振特性和諧振電流關(guān)系可列方程：



當(dāng)QI(xiàn)C遠(yuǎn)大于該值時(shí)，|VI(xiàn)C|近似于隨QI(xiàn)C線性增大，此時(shí)相對(duì)較低的|VTag.AV|仍可得到較高的標(biāo)簽芯片輸入電壓，從而增加了閱讀距離，可見互為共軛匹配前提下高品質(zhì)因數(shù)的天線及標(biāo)簽芯片是提高UHF RFID電子標(biāo)簽閱讀距離的重要條件。

不過(guò)，從另一方面說(shuō)來(lái)，品質(zhì)因數(shù)越大，電路諧振曲線越尖銳，也就是選擇性越強(qiáng)。從RFID系統(tǒng)的角度考慮，在讀出器靈敏度確定的前提下，低的QAnt意味著能夠接收到更多的反向散射能量，因此充分權(quán)衡滿足標(biāo)簽芯片最低工作電壓及保證天線對(duì)能量的有效接收才是行之有效的解決辦法。

由于目前市售的多數(shù)UHF RFID芯片具有高的Q值，綜合考慮RFID系統(tǒng)信號(hào)帶寬、功率傳輸及天線尺寸要求，實(shí)際應(yīng)用的很多UHF RFID電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中除了前面提到的天線及標(biāo)簽芯片外，還需要用于匹配天線與標(biāo)簽芯片的無(wú)損耗阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)^[2]。具體如圖3所示，以保證得到最大的功率傳輸。不過(guò)，出于對(duì)成本及生產(chǎn)裝配的考慮，還是建議盡量少用匹配網(wǎng)絡(luò)，努力通過(guò)改進(jìn)天線的設(shè)計(jì)，使得ZAnt與ZI(xiàn)C在相應(yīng)國(guó)家或地區(qū)規(guī)定的頻段內(nèi)，且在變化的VI(xiàn)C范圍內(nèi)仍能近似保持匹配^[5]，最終保證在得到最大讀出距離的同時(shí)沒(méi)有因匹配問(wèn)題造成的讀取盲區(qū)^[6]。

關(guān)于如何調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)使得RFID標(biāo)簽天線與芯片阻抗匹配已有不少相關(guān)報(bào)道^[5，6]，在此就不贅述。

4 通過(guò)標(biāo)簽基底材料的改進(jìn)增大標(biāo)簽讀取距離

RFID標(biāo)簽的工作頻率越高，越容易受到環(huán)境介質(zhì)的影響。例如工作在1356 MHz的RFID標(biāo)簽，只有金屬體對(duì)標(biāo)簽天線電感量的影響最明顯。但是，當(dāng)標(biāo)簽的工作頻率為UHF頻段如915 MHz，此頻段的標(biāo)簽天線，不僅金屬體對(duì)他的影響十分嚴(yán)重，而且在短波段不受影響的玻璃、紙箱、木箱、塑料箱等人們認(rèn)為的“絕緣”介質(zhì)也會(huì)對(duì)UHF標(biāo)簽天線產(chǎn)生較大影響。如果UHF電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)是以空氣介質(zhì)的空間調(diào)試的，那么該標(biāo)簽的用戶就只能將他應(yīng)用在單純空氣空間的環(huán)境下，才能發(fā)揮該標(biāo)簽的最佳電氣性能；假如該用戶將此標(biāo)簽改貼在玻璃箱體上，則此標(biāo)簽的電氣性能會(huì)因此下降，直接表現(xiàn)為讀出距離變近。

但是，有相當(dāng)部分的UHF頻段的RFID系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合都不可避免地要與金屬體打交道，電子標(biāo)簽必須在金屬體表面應(yīng)用的情況越來(lái)越多，迫切需要這一問(wèn)題的解決方案。工作在UHF頻段的標(biāo)簽天線，粘貼在一般的絕緣介質(zhì)(如玻璃、塑料箱等)表面，仍然會(huì)影響天線的電感量和降低諧振頻點(diǎn)的品質(zhì)因數(shù)；如果UHF天線需要貼在鐵質(zhì)金屬體表面，天線的電感量會(huì)大幅增加，迫使工作頻率離開標(biāo)準(zhǔn)頻點(diǎn)并趨于降低；如果該天線是貼在銅質(zhì)或鋁質(zhì)的金屬體表面，相反的會(huì)使天線電感量下降，迫使工作頻率離開標(biāo)準(zhǔn)頻點(diǎn)并趨于上升。

目前較為有效的方法有：

(1) 利用泡沫分離技術(shù)(Foam Separation)增加標(biāo)簽與所貼的金屬產(chǎn)品的距離。如果UHF電子標(biāo)簽在金屬體表面上的使用空間不是要求很嚴(yán)格時(shí)，我們可以犧牲一點(diǎn)標(biāo)簽在厚度上的要求，利用泡沫等對(duì)UHF波段影響不大的材料作為標(biāo)簽基底，把標(biāo)簽在金屬體表面墊高8~10 mm左右，就可明顯減弱金屬體對(duì)標(biāo)簽天線的“加感效應(yīng)”，在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)鑒的頻率偏移也就容易控制在允許的頻偏范圍之中，相對(duì)讀寫標(biāo)簽的距離和穩(wěn)定性也就能夠得到保證。

(2) 采用吸波隔離材料如高導(dǎo)磁鐵氧膠體隔離材料(目前價(jià)格仍較貴)做標(biāo)簽基底，避免或衰減反射干擾波的出現(xiàn)。針對(duì)標(biāo)簽所適用的頻率范圍設(shè)計(jì)相應(yīng)的吸波材料，將吸波膠片制作在標(biāo)簽襯底上，粘貼于電子標(biāo)簽和貨品金屬表面間。

盡管如此，UHF吸波材料仍沒(méi)有能力去隔離或阻止金屬體對(duì)UHF天線的“加感效應(yīng)”。目前，解決由此而引起的標(biāo)簽卡頻率偏移最好的方案就是對(duì)應(yīng)所需用戶封裝出適合他們使用環(huán)境下的UHF電子標(biāo)簽，采用天線預(yù)加載校正，將經(jīng)過(guò)提前預(yù)校正電感量的天線與吸波膠片材料一起封裝為“金屬型電子標(biāo)簽”成品，最終客戶不用再作任何調(diào)試。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首先從UHF頻段RFID標(biāo)簽芯片及天線的阻抗匹配入手，逐步深入推導(dǎo)，討論了標(biāo)簽和芯片天線的品質(zhì)因數(shù)對(duì)標(biāo)簽芯片輸入電壓和天線反向散射能量接收兩個(gè)因素的不同影響，闡明了在標(biāo)簽設(shè)計(jì)中需要權(quán)衡這兩個(gè)因素的影響，選擇合適的品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)，針對(duì)UHF頻段RFID標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不同，給出了選擇合適的基底材料的建議。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Mun Leng Ng，Kin Seong Leong，Peter H Cole.Analysis of Constraints in Small UHF RFID Tag Design[J].2005 IEEE International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications Proceedings，USA，2005，1:507-510.

［2］Jong Wook Lee，Hongil Kwon，Bomson Lee.Design Consideration of UHF RFID Tag for Increased Reading Range[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，2006:1 588-1 591.

［3］孫旭光，張春，李永明，等.超高頻無(wú)源RFID 標(biāo)簽的一些關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)集成電路，2007，1(92):29-35.

［4］高丹.集成天線電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)與仿真[D].上海:中國(guó)科學(xué)院研究生院.2004.

［5］Son W H，Pyo C S.Design of RFID Tag Antennas Using an Inductively Coupled Feed[J].Electronics Letters，2005，41(18):994-996.

［6］Pillai V.Impedance Matching in RFID Tags:to Which Impedance to Matching[J].Antennas and Propagation Society International Symposium，2006:3 505-3 508.

［7］章曉卿，劉中元，彭雁.非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究[J].國(guó)外電子元器件，2006(2):15-17.

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作者簡(jiǎn)介 殷少飛 男，1982年出生，寧夏中寧縣人，工學(xué)碩士，畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司IC設(shè)計(jì)工程師。主要從事RFID標(biāo)簽及標(biāo)簽芯片研究。

熊立志 男，1976年出生，湖北武漢市人，博士，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司IC設(shè)計(jì)工程師。主要從事RFID標(biāo)簽芯片研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>