RFID系統(tǒng)天線設計

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。天線設計是RFID系統(tǒng)設計的關(guān)鍵部分,設計出合適的天線,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,通過實際RFID項目中的總結(jié),給出實際RFID系統(tǒng)天線設計所需主要考慮的物理參量,并根據(jù)這些參量確定設計步驟。最后結(jié)合一個用于軌道交通的RFID天線設計例子,給出一種方便可行的RFID天線設計參考方法。

關(guān)鍵詞:RFID;近場耦合;諧振;天線設計

中圖分類號:TN82 文獻標識碼:A

文章編號: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,射頻識別技術(shù))是自動識別技術(shù)的一種,通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,對目標加以識別并獲取相關(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,可以讀取電子標簽內(nèi)存儲的信息,識別電子標簽代表的物品、人和器具的身份。RFID技術(shù)在國內(nèi)外得到了大量的應用,在公共交通、地鐵、校園、社會保障等領(lǐng)域均有應用[1]。

本文主要通過實際工作中對于各種RFID讀寫系統(tǒng)的對比,總結(jié)研究RFID讀寫器天線設計中比較實用的方法。

1 實際RFID天線設計主要考慮物理參量

1.1 磁場強度

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

圓形線圈的磁場強度(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)進行計算[3]:

H=I?N?R2/

(1)

式中:H是磁場強度;I是電流強度;N為匝數(shù);R為天線半徑;x為作用距離。

對于邊長ab的矩形導體回路,在距離為x處的磁場強度曲線可用下式計算。

H=N?I?ab4πa22+b22+x2?

1a22+x2+1b22+x2

(2)

結(jié)果證實:在與天線線圈距離很小(xR)處呈現(xiàn)出較高的磁場強度。在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線設計中,應當考慮這種效應,如圖1所示。

圖1 磁場強度隨距離變化曲線

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,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度H。這意味著:對于每種射頻識別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對應有一個最佳的天線半徑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,磁場強度是很小的;相反,如果天線半徑的選擇太小,那么其磁場強度則以x的三次方的比例衰減,如圖2所示。

圖2 磁場強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,它對應著磁場強度曲線最大值[4]。

從數(shù)學上來說,也即對R求導,如式(3)所示:

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

(3)

從公式的零點中計算是拐點以及函數(shù)的最大值。

R1=x?2 或 R1=-x?2

(4)

發(fā)射天線的最佳半徑對應于最大期望閱讀器的2倍值。第二個零點的負號表示導電路的磁場強度在x軸的兩個方向傳播。

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,有效的邊界條件為:

d頡以及x<λ/2π,原因是當超出上述范圍時,近場耦合便失去作用了,開始過渡到遠距離的電磁場[5]。一個導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。當距離大于λ/2π的時候,電磁場最終擺脫天線,并作為電磁波進入空間。在作為電磁波進入空間之前的這個范圍,就叫做天線的近場,本文所涉及的RFID天線設計,是基于近場耦合的概念。所以距離應當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)諧過程當中,由于天線線圈本身的電容對于諧振的影響很小,可以忽略不計,故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流,需要外加一個電容C,完成對天線的調(diào)諧,達到這一目的。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)生的磁通量與導體回路包圍的電流強度之比。實際RFID天線調(diào)試的時候,讀寫器天線電感量值可以通過阻抗分析儀測出,在條件有限的情況下,也常采用估算公式進行估算。假定導體的直徑d與導體回路直徑D之比很小(d/D<0.001),則導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為導體的內(nèi)徑;μ0為自由空間磁導率。

線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進行估算[6],在實際應用中,兩個公式可以進行對照使用:

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,讀寫器的通帶特性也會受到影響。所以在實際調(diào)節(jié)Q值的時候,要進行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值,是通過在R-L-C等效電路上面串接一個電阻R1實現(xiàn)的,具體的公式如下:

Q=ωL/(R+R1)

(8)

2 實際調(diào)試

RFID天線的設計需要考慮很多因素,上述幾個是實際的調(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)需要進行簡單的RFID天線設計了。下面給出一個應用于軌道交通的RFID天線設計的實際例子。此處設計一個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當為期望作用距離的2倍,在實際設計的時候,應當根據(jù)設計需求在設計中進行折衷的考慮,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當為1.4 cm,但是考慮到系統(tǒng)對于天線半徑尺寸的要求不超過1 cm,所以實際中取半徑為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)驗公式大致估計繞線的匝數(shù)。本例中,取電感量在700 μH,用直徑為0.27 mm的銅導線進行繞制天線。由公式N=(approx)1.9?L2?A?ln(A/D)計算出匝數(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)絡分析儀)測量出諧振頻率,這個時候,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稱值的,并不能做到與計算一致,所以總是會存在誤差。

由于調(diào)諧的電容是已知的,而且有固定的標稱值,可以根據(jù)湯姆遜公式由這個時候測得的頻率反推出在恰好達到此頻率的時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),直到達到指定的諧振頻率125 kHz。用矢量網(wǎng)絡分析儀以及頻譜儀測諧振頻率的實際圖片如圖4,圖5所示。

圖4 矢量網(wǎng)絡分析儀測天線諧振頻率(125.47 kHz)

圖5 頻譜儀器使用探頭測天線諧振頻率(125.00 kHz)

3 結(jié) 語

根據(jù)矢量網(wǎng)絡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)的要求進行進一步的聯(lián)調(diào)測試了。實際工程中,RFID讀寫器及標簽有各種電路結(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計[7],所以本文對于各種RFID系統(tǒng)的天線設計具有普遍的指導意義。

參考文獻

[1]周曉光,王曉華,王偉.射頻識別(RFID)系統(tǒng)設計仿真與應用[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]楊振野.IC卡技術(shù)及其應用[M].北京:科學出版社,2006.

[3][德]Klaus Finkenzeller.射頻識別技術(shù)[M].3版.吳曉峰,陳大才,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]紀震,李慧慧,姜來.電子標簽原理與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.

[5][瑞]Jari-Pascal Curty.無源超高頻系統(tǒng)設計與優(yōu)化[M].陳力穎,毛陸虹,譯.北京:科學出版社,2008.

[6]Ib technology.Micro RWD 125 kHz Antenna Specification-Philps-Antenna_125,2006.

[7]Jussi Nummela,Leena Ukkonen,Lauri Syd|nheimo,et al.13.56 MHz RFID Antenna for Cell Phone Integrated Reader[A].IEEE Antennas and Propagation International Symposium.2007,15(7):1 088-1 091.

[8]Qiu Jinghui,Sun Bo,You Qidi.Study on RFID Antenna for Railway Vehicle Identification[J].IEEE ITS Telecommunications Proceedings,2006,6:237-240.

[9]HF Antenna Design Notes.2006.

[10]Xu Guangxian.The Research and Application of RFID Technologies in Highway′s Electronic Toll Collection System[J].IEEE Wireless Communications,Networking and Mobile Computing,2006,27(3):521-524.

作者簡介

姚 平 男,1970年出生,江蘇海安人,在讀博士,講師。主要研究方向為短距離微波通信、RFID無線傳感器網(wǎng)絡等。