姚 平 黃 健 劉殿金 孫 罡

摘 要:RFID讀寫系統(tǒng)多采用無源近場耦合天線。天線設(shè)計(jì)是RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分,設(shè)計(jì)出合適的天線,是確保系統(tǒng)正常通信的前提。從近場耦合天線的理論分析著手,通過實(shí)際RFID項(xiàng)目中的總結(jié),給出實(shí)際RFID系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)所需主要考慮的物理參量,并根據(jù)這些參量確定設(shè)計(jì)步驟。最后結(jié)合一個(gè)用于軌道交通的RFID天線設(shè)計(jì)例子,給出一種方便可行的RFID天線設(shè)計(jì)參考方法。

關(guān)鍵詞:RFID;近場耦合;諧振;天線設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-164-03

Design of RFID Antenna

YAO Ping,HUANG Jian,LIU Dianjin,SUN Gang

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094,China)

Abstract:Passive near field coupling antenna is widely used in Radio Frequency Identification(RFID) system.Antenna design is the key part of RFID system design.Designing an appropriate antenna is the precondition of designing a well-communicating system.It starts with the theory of near field coupling,then it gives out the physical parameters which should be taken into account in RFID design.In the end,it gives out a convenient and feasible method of RFID antenna design based on RFID antenna used in the railway vehicle.

Keywords:RFID;near field coupling;resonance;antenna design

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,通過無線射頻方式進(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,通過相距幾厘米到幾米距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的無線電波,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[1]。

本文主要通過實(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 磁場強(qiáng)度

運(yùn)動(dòng)的電荷或者說電流會(huì)產(chǎn)生磁場,磁場的大小用磁場強(qiáng)度來表示。RFID天線的作用距離,與天線線圈電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度緊密相關(guān)[2]。

圓形線圈的磁場強(qiáng)度(在近場耦合有效的前提下,近場耦合有效與否的判斷在1.3節(jié))可用式(1)進(jìn)行計(jì)算[3]:

H=I?N?R2/

(1)

式中:H是磁場強(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ab的矩形導(dǎo)體回路,在距離為x處的磁場強(qiáng)度曲線可用下式計(jì)算。

H=N?I?ab4πa22+b22+x2?

1a22+x2+1b22+x2

(2)

結(jié)果證實(shí):在與天線線圈距離很小(xR)處呈現(xiàn)出較高的磁場強(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。

圖1 磁場強(qiáng)度隨距離變化曲線

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大,那么在與發(fā)射天線的距離x=0處,磁場強(qiáng)度是很小的;相反,如果天線半徑的選擇太小,那么其磁場強(qiáng)度則以x的三次方的比例衰減,如圖2所示。

圖2 磁場強(qiáng)度隨線圈半徑變化曲線

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)著磁場強(qiáng)度曲線最大值[4]。

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

ddRH(R)=2?R?N?R(R2+x2)3-3?I?N?R3(R2+x2)?(R2+x2)3

(3)

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

R1=x?2 或 R1=-x?2

(4)

發(fā)射天線的最佳半徑對(duì)應(yīng)于最大期望閱讀器的2倍值。第二個(gè)零點(diǎn)的負(fù)號(hào)表示導(dǎo)電路的磁場強(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,是近場耦合有效。下面簡介近場耦合的概念。

1.3 近場耦合

真正使用前面所提到的公式時(shí),有效的邊界條件為:

d頡以及x<λ/2π,原因是當(dāng)超出上述范圍時(shí),近場耦合便失去作用了,開始過渡到遠(yuǎn)距離的電磁場[5]。一個(gè)導(dǎo)體回路上的初始磁場是從天線上開始的。在磁場的傳輸過程中,由于感應(yīng)的增加也形成電場。這樣,最原始的純磁場就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成了電磁場。當(dāng)距離大于λ/2π的時(shí)候,電磁場最終擺脫天線,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,本文所涉及的RFID天線設(shè)計(jì),是基于近場耦合的概念。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,可以通過以下湯姆遜公式求得,即:

f=12πLC

(5)

1.5 電感的估算

電感量值的物理意義是:在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)體回路包圍的電流強(qiáng)度之比。實(shí)際RFID天線調(diào)試的時(shí)候,讀寫器天線電感量值可以通過阻抗分析儀測(cè)出,在條件有限的情況下,也常采用估算公式進(jìn)行估算。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小(d/D<0.001),則導(dǎo)體回路的電感可簡單地近似為:

L=N2μ0R?ln(2R/d)

(6)

式中:N為繞線天線的匝數(shù);R為天線線圈的半徑;d為導(dǎo)體的內(nèi)徑;μ0為自由空間磁導(dǎo)率。

線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進(jìn)行估算[6],在實(shí)際應(yīng)用中,兩個(gè)公式可以進(jìn)行對(duì)照使用:

N=(approx)1.9L2?A?ln(A/D)

(7)

式中:L為線圈電感,單位為nH;A為天線線圈包圍面積,單位為cm2;D為導(dǎo)線直徑,單位為cm。

1.6 天線的品質(zhì)因數(shù)

天線的性能還與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。Q既影響能量的傳輸效率,也影響頻率的選擇性。過高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大,但是同時(shí),讀寫器的通帶特性也會(huì)受到影響。所以在實(shí)際調(diào)節(jié)Q值的時(shí)候,要進(jìn)行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值,是通過在R-L-C等效電路上面串接一個(gè)電阻R1實(shí)現(xiàn)的,具體的公式如下:

Q=ωL/(R+R1)

(8)

2 實(shí)際調(diào)試

RFID天線的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素,上述幾個(gè)是實(shí)際的調(diào)試過程中的重要物理參量。

明確了上述物理參量之后,在給定期望距離以及工作頻率等RFID系統(tǒng)要求之后,在條件有限的情況下,就可以根據(jù)需要進(jìn)行簡單的RFID天線設(shè)計(jì)了。下面給出一個(gè)應(yīng)用于軌道交通的RFID天線設(shè)計(jì)的實(shí)際例子。此處設(shè)計(jì)一個(gè)期望最大作用距離為1 cm,工作頻率在125 kHz的繞線天線,系統(tǒng)要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小,不超過1 cm。具體步驟如下:

首先確定天線的最佳半徑,不宜太大也不宜太小,理想的最佳天線半徑應(yīng)當(dāng)為期望作用距離的2倍,在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求在設(shè)計(jì)中進(jìn)行折衷的考慮,在保證系統(tǒng)要求的前提下,盡可能地接近最佳值[4]。本例中閱讀器天線的最佳半徑應(yīng)當(dāng)為1.4 cm,但是考慮到系統(tǒng)對(duì)于天線半徑尺寸的要求不超過1 cm,所以實(shí)際中取半徑為0.8 cm。在允許的條件下,為使效果更好,可以加入一個(gè)帶有適量鐵氧體的天線骨架、天線以及閱讀器板子,如圖3所示。

圖3 繞好的天線以及閱讀器板子

其次,再根據(jù)工作頻率以及系統(tǒng)本身的要求確定電感量的大致范圍,本系統(tǒng)中取電感量在600~800 μH。再者,用電感量與匝數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式大致估計(jì)繞線的匝數(shù)。本例中,取電感量在700 μH,用直徑為0.27 mm的銅導(dǎo)線進(jìn)行繞制天線。由公式N=(approx)1.9?L2?A?ln(A/D)計(jì)算出匝數(shù)大概在266圈左右,繞完后,根據(jù)湯姆遜公式f=12πLC,選取所用的調(diào)諧電容。用相關(guān)的儀器(如頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)測(cè)量出諧振頻率,這個(gè)時(shí)候,由于電感量只是估算的,而且選用的匹配電容也是具有一定標(biāo)稱值的,并不能做到與計(jì)算一致,所以總是會(huì)存在誤差。

由于調(diào)諧的電容是已知的,而且有固定的標(biāo)稱值,可以根據(jù)湯姆遜公式由這個(gè)時(shí)候測(cè)得的頻率反推出在恰好達(dá)到此頻率的時(shí)候所需要的電感的大小,即繞線線圈電感?？搭l率的偏移情況,按電感量估算公式逐步增加或者減少線圈匝數(shù),直到達(dá)到指定的諧振頻率125 kHz。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜儀測(cè)諧振頻率的實(shí)際圖片如圖4,圖5所示。

圖4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)天線諧振頻率(125.47 kHz)

圖5 頻譜儀器使用探頭測(cè)天線諧振頻率(125.00 kHz)

3 結(jié) 語

根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜分析儀的顯示,本RFID天線已經(jīng)成功諧振在125 kHz。接下來便可根據(jù)所提到的公式,計(jì)算出調(diào)Q值所用的電阻的大小,然后根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行進(jìn)一步的聯(lián)調(diào)測(cè)試了。實(shí)際工程中,RFID讀寫器及標(biāo)簽有各種電路結(jié)構(gòu),但是歸根到底都是等效成R-L-C諧振電路的,比如說PHILIPS的MIFARE系列讀寫器的天線設(shè)計(jì)[7],所以本文對(duì)于各種RFID系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義。

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作者簡介

姚 平 男,1970年出生,江蘇海安人,在讀博士,講師。主要研究方向?yàn)槎叹嚯x微波通信、RFID無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。