牛國(guó)柱,梁海燕,孫 罡

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引 言

射頻識(shí)別技術(shù)（radio frequency identification，RFID）是20世紀(jì)80年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是一種利用射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID系統(tǒng)主要由應(yīng)答器（電子標(biāo)簽）和讀寫器組成。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，讀寫器的需求也越來越大。在短距離條件下，低頻的RFID系統(tǒng)由于它的信號(hào)衰減小、穿透力強(qiáng)、可精確控制工作距離、避免對(duì)其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用[1]。

在RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，讀寫器天線的設(shè)計(jì)尤其重要，讀寫器天線的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)RFID系統(tǒng)的讀寫距離產(chǎn)生影響，反過來，天線的工作頻率也決定了天線的尺寸大小等。因此，RFID天線設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否，另外將應(yīng)答器及讀寫器置于金屬環(huán)境中也會(huì)對(duì)RFID系統(tǒng)的讀寫距離產(chǎn)生影響。該文主要討論工作在低頻段，典型值為125kHz的讀寫器天線的設(shè)計(jì)，對(duì)讀寫器天線參數(shù)以及金屬環(huán)境對(duì)天線性能的影響進(jìn)行了分析[2-3]。

1 天線原理

天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)換。根據(jù)天線在系統(tǒng)中的不同功能和作用，RFID中的天線可分為標(biāo)簽天線（tag antenna）和讀寫器天線（reader antenna）。讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量Φ，而磁通量用于向應(yīng)答器提供電源并在閱讀器和應(yīng)答器之間傳送信息。因此，對(duì)讀寫器天線的構(gòu)造就有了3個(gè)基本要求[1]：

（1）使天線線圈的電流I最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量Φ。

（2）功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量。

（3）足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。

2 天線的基本理論

2.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度

運(yùn)動(dòng)的電荷或電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小用磁場(chǎng)強(qiáng)度H來表示，RFID天線的工作距離與天線線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)。圓形線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度可用式（1）來決定：

式中：N——線圈匝數(shù)；

R——天線半徑；

x——沿x方向與線圈中心的距離；

I——電流強(qiáng)度。

式（1）的有效邊界條件為 d＜＜R 而 x＜λ/2π，其中d為使用的導(dǎo)體的直徑，λ為電磁波的波長(zhǎng)。

圖1給出了3種不同天線在距離為0～10 m下的場(chǎng)強(qiáng)曲線H（x）。在每種情況下，線圈匝數(shù)和天線電流均保持不變，區(qū)別僅僅是天線的半徑R不同?？梢钥闯觯谂c天線線圈距離很?。▁＜R）的情況下，場(chǎng)強(qiáng)基本保持不變，較小的天線在其中心（距離為0）處呈現(xiàn)出較高的場(chǎng)強(qiáng)，而較大的天線在較遠(yuǎn)的距離（x＞R）處的場(chǎng)強(qiáng)明顯較高。

圖2給出了在3個(gè)不同的距離下（x=10，20，30cm）磁場(chǎng)強(qiáng)度隨線圈半徑的變化曲線。由圖可以看出，當(dāng)x＜R時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)H急劇上升；當(dāng)x=R時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)H達(dá)到最大值；當(dāng)x＞R時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)成比例下降[4]。

圖1 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化曲線

圖2 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨天線半徑變化曲線

2.2 諧振理論

對(duì)于系統(tǒng)工作在天線近場(chǎng)的頻率為125kHz的天線，標(biāo)簽所需的能量是通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場(chǎng)獲得。由于在近場(chǎng)不涉及電磁波傳播的問題，天線設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般采用工藝簡(jiǎn)單的線圈型天線。

式中：L——天線自身的電感值；

C——調(diào)諧電容。

可以通過選擇適當(dāng)?shù)木€圈和電容，使得諧振頻率與閱讀器的工作頻率相同[5]。

3 天線參數(shù)對(duì)天線性能的影響

3.1 天線尺寸

讀寫器天線的尺寸大小是根據(jù)讀寫距離x確定的。天線是用銅制漆包線繞制而成的，天線線圈的直徑遠(yuǎn)大于漆包線的直徑，所以天線的電感值可估算為

式中：A——天線線圈內(nèi)徑；

D——漆包線的直徑；

N——繞制線圈的匝數(shù)。

通過改變線圈的匝數(shù)可以調(diào)節(jié)天線的電感值[6]。

現(xiàn)在選用電感值為735μH的天線，通過改變天線的內(nèi)部直徑，測(cè)試天線的讀寫距離，其中繞制的銅線半徑為0.236 mm，結(jié)果如表1所示。對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，天線的讀寫距離大約為天線內(nèi)部直徑的2倍。

表1 天線讀寫距離隨天線內(nèi)部直徑的變化

3.2 品質(zhì)因數(shù)

品質(zhì)因數(shù)Q也是天線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，它是指電感在某一頻率的交流電壓工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻值之比。Q值的計(jì)算由天線的電感值和電阻決定：

式中：Rdriνer——驅(qū)動(dòng)電阻，值為3.5Ω；

Ra——電流自適應(yīng)電阻；

Rcopper——天線線圈的阻值；

Rrf——金屬部分邊緣電流損耗引起的阻值。Rcopper+Rrf的值可用萬用表測(cè)得約為6Ω，因此可以通過改變Ra的值來改變Q值[7]。

現(xiàn)在保持天線的電感值為735μH，工作頻率為125kHz，通過改變Ra的值來改變Q值，并測(cè)試天線的讀寫距離，結(jié)果如表2所示。

3.3 天線電感

表3 天線讀寫距離隨天線電感值的變化

對(duì)表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，天線電感值對(duì)天線的讀寫距離影響并不大，因此可以根據(jù)已有的調(diào)諧電容來選擇合適的天線電感值，一般推薦值為700μH左右。

4 金屬環(huán)境對(duì)天線性能的影響

天線附近的金屬會(huì)給天線性能帶來負(fù)面影響，磁場(chǎng)不能穿透金屬等導(dǎo)磁材料，金屬物附近磁力線形狀會(huì)發(fā)生改變；而且由于磁場(chǎng)能會(huì)在金屬表面引起渦流，渦流會(huì)產(chǎn)生抵抗激勵(lì)的磁通量，導(dǎo)致金屬表面磁通量大大衰減，讀寫器天線發(fā)出的能量被金屬吸收，讀寫距離就會(huì)大大減小。

通過實(shí)驗(yàn)來具體測(cè)試在不同金屬環(huán)境下天線的讀寫距離，選用電感值為735μH，內(nèi)部直徑為1.2cm，工作頻率為125kHz的天線。

（1）測(cè)試在讀寫器及天線距離金屬板不同距離下的天線讀寫距離，安裝方式如圖3所示，天線固定在讀寫器的正面，金屬板為不銹鋼金屬[8]，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

（2）將讀寫器及天線分別安裝于不銹鋼金屬和鋁金屬支架上測(cè)試天線的讀寫距離，其中墊高距離都為3mm[9]，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

圖3 天線安裝示意圖

表4 在不同墊高距離下天線的讀寫距離

表5 不同金屬材料下天線的讀寫距離

圖4 安裝金屬板不同開孔直徑下天線的讀寫距離

（3）將讀寫器及天線分別安裝于不同開孔大小的不銹鋼金屬板上，墊高距離都為3 mm，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，金屬板開孔大小對(duì)天線讀寫距離的影響并不大。因此，在實(shí)際環(huán)境中可由其他條件來決定開孔的大小。

（4）應(yīng)答器的安裝方式也對(duì)讀寫器天線的讀寫距離產(chǎn)生影響。一般來說，應(yīng)答器要安裝在金屬箱上，如果把應(yīng)答器直接貼在金屬表面，會(huì)干涉讀寫器和應(yīng)答器形成的交變磁場(chǎng)，使得讀寫距離大大減小，因此一般采用開孔的安裝方式[10]。應(yīng)答器安裝金屬板開孔大小對(duì)讀寫器工作距離的影響，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)答器安裝孔不同直徑下天線的讀寫距離

由圖5可以看出，當(dāng)金屬板開孔直徑達(dá)到15mm，天線的讀寫距離不再變化。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了RFID天線的理論基礎(chǔ)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)總結(jié)了天線的主要參數(shù)（天線的尺寸、品質(zhì)因數(shù)、電感值）以及金屬環(huán)境對(duì)天線性能的影響，并給出了相應(yīng)的關(guān)系：天線的讀寫距離大約為天線內(nèi)部直徑的2倍；品質(zhì)因數(shù)的大小最好在13～20之間；最佳電感值為700 μH；讀寫器與金屬板的距離、金屬材料以及應(yīng)答器安裝孔的大小會(huì)對(duì)天線的性能產(chǎn)生影響。

可通過以下4種方法來提高天線的性能：

（1）天線讀寫距離大約為天線內(nèi)部直徑的2倍，在允許的條件下，盡可能選用大尺寸的天線；

（2）選擇合適的Q值，既不能太大也不能過小，一般來說，Q值選擇20；

（3）讀寫器天線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離金屬，如不能避免在金屬環(huán)境中，應(yīng)選擇墊高安裝；

（4）應(yīng)答器采用內(nèi)嵌的安裝方式，且金屬板開孔直徑大于15mm。

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