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远距离RFID读写天线的研究

作者:张责艳 张明扬 来源:与非网 2015-08-31 14:28:36

摘要:目前的读写器远远不能满足应用要求,因此,需要一款远距离读写器配合远距离天线,实现远距离水平或垂直方向的读写要求。这里给出一种远距离RFID读写天线的设计方案,采用射频标签专用读写器RI-R6C-001A,该器件要求天线阻抗为 50 Ω,频率为13.56 MHz,因此采用_亡艺简单、低成本的PCB环形天线。

关键词:RFID[1808篇]  读写器[235篇]  天线[178篇]  

  1前言

  射频识别RFID(Radio Frequency Identification)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传递非接触信息,并通过所传递的信息识别对象。RFID解决无源(卡中无电源)和免接触两大难题,实现运动目标识别、多目标识别,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。目前的读写器远远不能满足应用要求,因此,需要一款远距离读写器配合远距离天线,实现远距离水平或垂直方向的读写要求。这里给出一种远距离RFID读写天线的设计方案,采用射频标签专用读写器RI-R6C-001A,该器件要求天线阻抗为 50 Ω,频率为13.56 MHz,因此采用_亡艺简单、低成本的PCB环形天线。

  2 RFID读写天线的设计

  2.1 RFID读写天线工作原理

  天线是发射和接收射频载波信号的设备。在工作频率和带宽确定的条件下,天线发射射频处理模块产生的射频载波,并接收从标签发射或反射的射频载波,其作用是产生磁通量,为标签(无源)提供电源,并在读写器和标签之间传递信息。天线性能的优劣对系统整体性能起着非常关键的作用。RFID天线的读写距离取决于诸多因素:天线的尺寸、方向性、天线的位置、所处频段的电气特性及周围环境等。

  2.2 RFID读写天线各性能参数

  2.2.1 电子标签的方向性

  由于无源电子标签是通过与读写器天线磁场耦合来获得能量,所以标签的方向性直接影响耦合系数,近而影响能量的获取和通信的可靠性。当标签的方向性和读写器天线处于最佳耦合时,磁力线与电子标签成直角。电子标签能够获得最好的读写效果。但是,若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方向平行。此时方向性最差,读写效果也最差。图1为天线的磁力线分布模拟图。

远距离RFID读写天线的研究

  2.2.2 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中黑线勾勒出的范围之外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°角区域时,一般可正常读写操作。

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  2.2.3 天线品质因数Q

  对于电感耦合式射频识别系统的天线.在其尺寸不变的情况下,Q值越大意味着天线线圈中的电流强度越大,输出功率越强,读写距离就越远。品质因数Q的计算公式为:

远距离RFID读写天线的研究

  式中,f0是工作频率(13.56 MHz),L是天线的等效电感,R是天线的等效并联电阻。通过p很容易计算出天线带宽B:

远距离RFID读写天线的研究

  由式(2)可看出,天线的传输带宽B与品质因数Q成反比。因此,过高的品质因数将导致带宽缩小,降低读写器的调制边带信号幅度,导致读写器无法与标签通 信。天线Q值与3 dB带宽的关系曲线如图3所示。由图3可看出:环形天线与50 Ω的负载相连时,其Q值最好不超过30。为了优化天线的性能。读写器匹 配电路的驻波比应小于1:1.2。

远距离RFID读写天线的研究

  天线设计完成后,使用矢量网络分析仪测量天线品质因数及带宽。若带宽不符合要求,可加并联电阻调整。

  设天线的谐振电阻为Rpor,理 想品质因数为Qreqtuired,则:

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  假设利用频谱分析仪实测的天线品质因数为Qreqtuired,则相应天线的阻抗为:

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  最终天线需要并联电阻R:

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  该设计按以上步骤设计天线品质因数,其Qrequired=30。

  2.2.4 天线尺寸

  一般情况下.读写器识别距离与读写器的天线装置及磁场强度有关,天线越大,输出功率越大,读写距离就越 远。但随着天线尺寸增大,也出现了其他问题:信噪比下降;为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;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无法作出响应: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。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:

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  式中,L是天线的最大尺寸,λ是工作波长。

  对于13.6 MHz的射频识别系统来说,天线的最大尺寸应选用50 cm左右。采 用尺寸大小为50 cm×50 cm的单一天线读写器,当辐射功率达0.8 W时,可实现50 cm的有效读写距离。若采用双天线,则可实现超过1 m的 有效读写距离。

  2.2.5 匹配网络

  本文研究的RFID读写器频率为13.56 MHz,为有效抑制功率反 射、寄生辐射等高频效应,通常是将读写器天线通过同轴电缆连接到读写器的高频模块,同轴电缆阻抗为50 Ω。因此,天线的阻抗匹配就是通过一定的无源匹配 电路来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,这样就可使能量通过同轴电缆几乎无损失的从读写器传送出去。图4为采用50 Ω技术的电 感耦合式射频识别系统电路。

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  3 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,通过研究RFID天线工 作原理及其性能参数,提出一种有效的天线设计优化方案,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 离射频天线可使读写距离达到30 cm。

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