遠(yuǎn)距離RFID天線(xiàn)設(shè)計(jì)

引言

　　RFID(Radio Frequency Identification)，中文稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)射頻身份識(shí)別是一種非接觸式IC卡技術(shù)。它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)。RFID技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：防水、防磁、耐高溫、無(wú)機(jī)械磨損、壽命長(zhǎng)、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)信息更改自如等。通常情況下，RFID閱讀器發(fā)送的頻率稱(chēng)為RFID系統(tǒng)的工作頻率或載波頻率。RFID載波頻率基本上有3個(gè)范圍：低頻(30kHz～300kHz)、高頻(3MHz～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)。常見(jiàn)的工作頻率有低頻125kHz與134.2kHz、高頻13.56MHz、超高頻433MHz、860MHz～930MHz、2.45GHz等。

　　一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)由閱讀器(Reader)、標(biāo)簽(Tag)和應(yīng)用程序三部分組成。其工作原理為：由Reader發(fā)射一個(gè)特定頻率的無(wú)線(xiàn)電波，將能量傳送給Tag，激活Tag內(nèi)部電路，然后Tag將其IDCode發(fā)送出去，此信號(hào)被Reader接收后解碼，再發(fā)送給應(yīng)用程序做進(jìn)一步處理應(yīng)用。

　　一般來(lái)說(shuō)，工作頻率為13.56MHz的射頻標(biāo)簽被稱(chēng)為高頻段標(biāo)簽，但是其識(shí)別原理同低頻類(lèi)似，即采用電磁耦合的方式從閱讀器耦合線(xiàn)圈的輻射近場(chǎng)中獲得能量，標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線(xiàn)輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。閱讀距離一般情況下小于1m。

　　天線(xiàn)設(shè)計(jì)

　　在天線(xiàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮兩方面，一是設(shè)計(jì)尺寸合適的天線(xiàn)，二是搭建天線(xiàn)與閱讀器的匹配電路。

　　天線(xiàn)尺寸

　　天線(xiàn)線(xiàn)圈是一個(gè)諧振電路，在特定頻率上，當(dāng)感應(yīng)阻抗(XL)等于電容阻抗(XC)時(shí)，天線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生諧振，它們之間的關(guān)系如下式所示：
620)this.style.width=620;" border="0" />

增加線(xiàn)圈尺寸必然帶來(lái)電感值的增大，就需要一個(gè)比較小的電容。當(dāng)電感值超過(guò)5μH，電容的匹配就會(huì)有問(wèn)題，所以我們使用低阻抗的銅管來(lái)制作天線(xiàn)，尺寸為50cm×50cm，銅管直徑15mm，其電感值為L(zhǎng)=2.2μH。

　　天線(xiàn)的作用有兩個(gè)，一個(gè)是建立穩(wěn)定的激勵(lì)磁場(chǎng)，另一個(gè)是接受來(lái)自標(biāo)簽的調(diào)制信號(hào)。標(biāo)簽要在距天線(xiàn)一定距離的地方獲得穩(wěn)定的工作電源，就必須和天線(xiàn)有較大的互感系數(shù)，同時(shí)天線(xiàn)的磁通也要盡可能的大。天線(xiàn)要在與標(biāo)簽保持一定距離的地方獲得較強(qiáng)的調(diào)制信號(hào)，就必須有合適的品質(zhì)因數(shù)。

　　品質(zhì)因數(shù)(Q)
　　天線(xiàn)的性能與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，Q值越高，天線(xiàn)的輸出能量越高，不過(guò)，Q值太高，容易干擾讀取器的帶通特性，而且無(wú)法遵從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，Q值取20比較適當(dāng)。

　　當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q=20時(shí)，系統(tǒng)帶通特性較好，帶寬也比較大。一般情況下，大多數(shù)系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為10～30，最大不能超過(guò)60。

　　天線(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)可以通過(guò)頻譜分析儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量，將頻譜分析儀的刻度調(diào)節(jié)為1dB/div，調(diào)節(jié)頻率直到信號(hào)的最大振幅都能完全顯示在屏幕上，通過(guò)降低和升高頻率，可以在屏幕上找到上下-3dB的點(diǎn)，并記錄其頻率。然后通過(guò)下面的公式來(lái)計(jì)算：
620)this.style.width=620;" border="0" />

天線(xiàn)的帶寬計(jì)算公式為

620)this.style.width=620;" border="0" />

匹配電路
　　為了增加天線(xiàn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，需要增大天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流。本系統(tǒng)采用變壓器匹配的方法增大電流。如圖1所示。
620)this.style.width=620;" border="0" />

圖1　匹配電路

　　其中，不平衡變壓器可以平衡負(fù)載，使天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流不干擾接收電路的信號(hào)。匹配電壓器用來(lái)放大天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流。根據(jù)變壓器的原理，N1/N2=I2/I1，其N(xiāo)1/N2為變壓器兩個(gè)繞組的匝數(shù)比，通過(guò)控制匝數(shù)比，可以相應(yīng)的增加天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流。實(shí)際電路中的匝數(shù)比可以通過(guò)下式來(lái)計(jì)算：

620)this.style.width=620;" border="0" />

式中，Rin為輸入電阻，Rpar為匹配電阻，L為電感。

　　為了使天線(xiàn)在13.56MHz頻段上達(dá)到諧振，即滿(mǎn)足公式(1)，應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)?shù)碾娙軨par，

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們使用了一個(gè)10～80pF的可調(diào)云母電容和一個(gè)0.8 ～10pF的氣隙可調(diào)電容并聯(lián)，通過(guò)改變可調(diào)電容的值來(lái)達(dá)到電路的諧振。

　　卷標(biāo)天線(xiàn)
為了增強(qiáng)讀取器與卷標(biāo)之間的互感，可以增大卷標(biāo)上的天線(xiàn)。由于卡片尺寸的限制，本系統(tǒng)卷標(biāo)天線(xiàn)的尺寸為3cm×3cm，使用細(xì)銅絲繞制。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際使用表明，天線(xiàn)有效距離增大，單個(gè)天線(xiàn)的有效讀卡距離達(dá)到60cm，當(dāng)兩個(gè)天線(xiàn)并聯(lián)使用時(shí)，最大有效距離可以達(dá)到120cm，極大的提高了系統(tǒng)的使用價(jià)值。