通過提高天線增益延長RFID讀寫器操作距離解析

無線射頻識別(RFID)讀寫器的讀寫距離取決于諸多因素，如RFID讀寫器的傳輸功率、讀寫器的天線增益、讀寫器IC的靈敏度、讀寫器的總體天線效率、周圍物體(尤其是金屬物體)及來自附近的RFID讀寫器或者類似無線電話的其他外部發(fā)射器的射頻(RF)干擾。

計算功率密度

讀寫天線發(fā)射之RF電磁波的功率密度大小計算如公式1所示。其中，Sr=功率密度，Pt=讀寫天線的發(fā)射功率，Gt=讀寫天線的增益，R=讀寫天線的發(fā)射距離。

Sr = PtGt/4πR2-----------------------------------------------公式1

從公式1可知，功率密度與距離的平方成反比。在理想情況下，此公式才成立，例如在不存在衰減RF信號的物體、可能產(chǎn)生干擾的外部發(fā)射器，以及來自同一信號源產(chǎn)生其他干擾模式之多徑效應(yīng)的微波暗室內(nèi)。以下將針對這些因素進(jìn)行更詳細(xì)地討論。

考慮天線增益

天線增益的單位是dBi，dBi代表一根天線與假設(shè)等向天線(HypotheTIcal Isotropic Antenna)相比之下的正向增益;假設(shè)等向天線會在所有方向均勻地分配能量。在設(shè)計天線的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)使其在某個方向的輻射能量比另一個方向的還要多，從而實現(xiàn)更高的增益。以灑水頭為例子，就可以對此有比較深入的理解，如集中噴射、水流變窄及水射出的距離增加，此與提高天線增益類似，即在某個方向集中能量輻射。

留意天線3dB波束寬度及半功率點

提高讀寫器的讀/寫距離，必須考慮另一個重要的天線特性，即由天線產(chǎn)生的3dB波束寬度圖樣。如圖1所示的3dB波束寬度，包含75%的射頻能量。在此范圍內(nèi)，讀寫器具有最佳讀寫性能。3dB波束寬度取決于天線增益。例如，天線增益越高，能量越集中，3dB波束寬度就越窄。

圖1 由天線產(chǎn)生的3dB波束寬度

3dB波束寬度還可用來描述波束的半功率點，即射頻能量減小到一半的位置。此外，圖1還顯示出大部分天線都會展示的旁瓣(Side Lobe)。讀寫器可以在此方向區(qū)域上進(jìn)行讀寫，但是其讀寫距離將大幅縮短。

優(yōu)化讀寫器讀寫距離

為了將RFID讀寫器的讀寫距離延到最長，應(yīng)該考慮下列所描述的技術(shù)。首先，在規(guī)定區(qū)域發(fā)射規(guī)定下，將有效等向輻射功率(EIRP)提到最高。例如，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)15.247章節(jié)規(guī)定EIRP所允許的最大值是4瓦(W)(36dBm)。這意味著采用9dBiL的天線，RFID讀寫器傳輸給天線的功率，包括電纜損失在內(nèi)，不得超過27dBm。另一方面，對于6dBiL天線來說，傳輸功率不得超過30dBm。表1列出一些使用RFID的國家和地區(qū)所允許的EIRP最大值。

對于讀寫器天線前面(視軸)同一點處發(fā)射的RF信號而言，與天線增益有關(guān)的一個重要特性是與線極化(Linearly Polarized)天線6dBiL類似的圓極化(Circularly Polarized)天線9dBiC。這是因為線極化天線在同一軸上結(jié)合了電場分量的x分量和y分量，從而在這個特定方向能量提高3dB(～29%)。

然而，線極化天線不允許讀寫器方向的靈活性。換句話說，讀寫器必須指向讀寫天線極化相同的方向，否則讀寫器將接收不到能量。

另一方面，圓極化天線有兩個互成90度的電場分量(圖2)。因此，能量在兩個相互正交的軸間分配，與在自由空間中傳播的線極化RF信號相比，每一軸所含的能量低于3dB。

圖2 圓極化天線有兩個互成90度的電場分量

在這種情況下，其優(yōu)勢是在相對于天線的方向，讀寫器沒有任何限制。這意味著讀寫器可在任何方向轉(zhuǎn)動，且接收的能量基本上一致。而其缺點是詢問天線每根軸傳遞的能量比線極化系統(tǒng)降低3dB。選擇線極化或圓極化天線，要視具體應(yīng)用而定。

其次，清除天線和讀寫器附近的所有物體是非常重要的。天線和讀寫器間的視線方向必須沒有障礙物。如果清除所有物體，視線方向上沒有任何阻礙，RF電磁波的自由空間損耗(FSL)可由公式2計算得出，其中r=至讀寫器的距離，λ=EM波長。

FSL = 20Log(4πr/λ)-----------------------------------------------公式2

RF電磁波通過介電常數(shù)超過1.0(ε》1.0)的物體，如木材、塑料或橡膠材料，根據(jù)公式2，F(xiàn)SL大概為36dB。由于RF信號傳播的衰減，讀寫器的讀寫距離也會顯著地縮短。

此外，周圍物體會導(dǎo)致RF信號產(chǎn)生“多徑效應(yīng)”，導(dǎo)致RF場內(nèi)區(qū)域出現(xiàn)RF能量振蕩的零點和幅點(圖3)。圖3顯示相長(同相)和相消(異相)兩種入射波。相長的兩種入射波可將具體區(qū)域的能量提高3dB左右，并顯著地延長讀寫器的讀寫距離。

圖3 相長(同相)和相消(異相)兩種入射波示意圖

另一方面，相消干擾會導(dǎo)致兩種入射RF電磁波相互抵消，因而產(chǎn)生的區(qū)域會變成一個“零”，在激發(fā)讀寫器時，此區(qū)域會呈現(xiàn)能量不足。這是一種典型的RFID環(huán)境。

再者，如果沿著線極化天線有一臺頻譜分析儀，則應(yīng)進(jìn)行RF測量以了解是否存在干擾讀寫器RF電磁波和影響讀寫器能量大小的外部發(fā)射器。倘若存在外部發(fā)射器，而且這些發(fā)射器的RF頻道處于RFID詢問器的工作頻率范圍內(nèi)，這可能會顯著縮短讀寫器的讀寫距離。外部發(fā)射器是指無線電話和附近其他的RFID閱讀器。

某些國家，如美國要求所有FCC 15.247認(rèn)證的閱讀器都要采用跳頻展頻(FHSS)技術(shù)。在這種配置下，讀寫器偽隨機地(Pseudo-randomly)在其全部五十個頻道上“跳躍”，在每一頻道的最長停留時間為400毫秒(ms)。這有利于減少RFID閱讀器向其周圍發(fā)射的干擾量及減少其接收的干擾量。

一般說來，當(dāng)外部發(fā)射器的頻道與讀寫器處于同一頻帶范圍內(nèi)，當(dāng)其任何頻道上強度大于-30dBm時，則必須進(jìn)行處理?？刹扇∫韵聨追N措施：定位干擾源，確定其是否可以關(guān)閉，或者降低其傳輸功率;采用某種金屬片或物體進(jìn)行屏蔽，避免外部發(fā)射器的影響;將RFID裝置遠(yuǎn)離外部發(fā)射器;將讀寫天線指向偏離外部發(fā)射器的方向;確保讀寫系統(tǒng)(RFID閱讀器和詢問器天線)所在地區(qū)的功率發(fā)射限制所允許的最高EIRP;設(shè)置軟件，以避免外部發(fā)射器所在的RF頻道位于讀寫器頻帶范圍內(nèi)。

此外，讀寫器靈敏度隨RFIC型號不同而有所不同。因此，與靈敏度較高的讀寫器相比，靈敏度較低的讀寫器的讀寫距離更短。但在某些情況下，并不會優(yōu)先考慮靈敏度較高的RFIC。例如，在供應(yīng)鏈應(yīng)用中，采用可攜式RFID讀寫器來監(jiān)測庫存，并不要求特別遠(yuǎn)的讀寫距離。而對于電子車輛登記(EVR)和電子車輛識別(EVI)等應(yīng)用來說，必須具有更遠(yuǎn)的讀寫距離，因而需要更高的靈敏度。所以靈敏度的大小要求與具體應(yīng)用有關(guān)。

最后，讀寫器天線效率是影響讀寫器讀寫距離的另一項因素。與讀寫器IC輸入阻抗相匹配的天線設(shè)計，可以改善總體效率，獲得更大的讀寫距離。RFIC輸入阻抗一般在其對應(yīng)數(shù)據(jù)表中可以找到。

讀寫器天線的設(shè)計應(yīng)與數(shù)據(jù)表的輸入阻抗有適當(dāng)?shù)钠ヅ?。一般說來，這意味著將天線調(diào)節(jié)到所需頻帶的中心頻率。此頻帶要視讀寫器的使用地區(qū)而定。表2列出一些國家和地區(qū)所允許的頻率和相應(yīng)的監(jiān)管機構(gòu)。