針對(duì)多角度方向標(biāo)簽檢測(cè)的球形RFID天線

馮星皓

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

0 引言

射頻識(shí)別信息技術(shù)（radio frequency identification，RFID）是自動(dòng)識(shí)別信息技術(shù)的一部分，運(yùn)用無(wú)線射頻技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)非接觸式雙向進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)對(duì)象加以識(shí)別并提取相應(yīng)數(shù)據(jù)。閱讀器和電子標(biāo)簽是RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)的核心組成部分，閱讀器和電子標(biāo)簽通常距離間隔在幾厘米到幾米之間，當(dāng)使用無(wú)源電子標(biāo)簽時(shí)，閱讀器發(fā)出無(wú)線射頻信號(hào)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，電子標(biāo)簽在閱讀器天線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中受到激活工作。電子標(biāo)簽激活后，標(biāo)簽芯片再通過(guò)其自身的天線發(fā)射出反射信號(hào)，由于天線具有互易性，此時(shí)閱讀器天線成為接收天線，從而能夠讀出在電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息內(nèi)容，進(jìn)一步確定了電子標(biāo)簽保存的物品、人或者器具的身份信息。目前RFID 無(wú)線射頻技術(shù)已經(jīng)在公交、地鐵、學(xué)校、社會(huì)保障系統(tǒng)等國(guó)內(nèi)外各種領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用開(kāi)來(lái)。然而，基于閱讀器和標(biāo)簽天線之間的磁互耦的射頻鏈路（通常是環(huán)形天線）的改進(jìn)仍然是系統(tǒng)的一個(gè)復(fù)雜挑戰(zhàn)。檢測(cè)范圍和面積是RFID 系統(tǒng)性能的重要評(píng)估因素。當(dāng)標(biāo)簽線圈產(chǎn)生足夠的電力供應(yīng)時(shí)候，RFID 標(biāo)簽芯片才能正常工作，所以發(fā)射天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)與標(biāo)簽線圈的耦合程度極為重要。

RFID 天線系統(tǒng)包括閱讀器天線系統(tǒng)和標(biāo)簽天線系統(tǒng)。在LF/HF 的RFID 體系中，電子標(biāo)簽和識(shí)讀器之間通過(guò)電感耦合方法實(shí)現(xiàn)電能傳輸和交流。但是基于電感耦合的功率傳輸效率較低，并且隨著距離的增加而呈指數(shù)下降。這是由于線圈之間沒(méi)有共同的磁芯來(lái)限制和引導(dǎo)大部分磁通量。因此，WPT 的線圈通常是松耦合的。為進(jìn)一步提高功率傳遞效率和傳播范圍，在發(fā)射器與接收機(jī)的線圈在相同頻率相互諧振的情形下，通過(guò)使用不同的線圈的幾何形式，閱讀器的天線線圈產(chǎn)生各種不同形式的高頻磁場(chǎng)分布，優(yōu)秀的磁場(chǎng)分布可以使得穿過(guò)電子標(biāo)簽線圈的磁通量大大增加，使得處在閱讀器天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的電子標(biāo)簽線圈上形成更大的感應(yīng)電流，提高初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的功率傳輸效率。

1 近場(chǎng)感應(yīng)耦合RFID天線工作原理

LF/HF 頻段RFID 系統(tǒng)發(fā)射天線與標(biāo)簽線圈天線之間采用磁感應(yīng)耦合，原理如圖1所示。

圖1 閱讀器和應(yīng)答器之間的感應(yīng)耦合

RFID 射頻識(shí)別閱讀器天線的主要作用是發(fā)射閱讀器中前端射頻模塊產(chǎn)生的射頻能量,并接收來(lái)自電子標(biāo)簽的返回信號(hào)。在LF（通常為125 KHZ）和HF（通常為13.56 MHZ）的固定頻段下，由閱讀器天線系統(tǒng)發(fā)出前端射頻模塊所形成的射頻信息。在采用無(wú)源電子標(biāo)簽技術(shù)時(shí)，由于閱讀器天線系統(tǒng)和電子標(biāo)簽天線系統(tǒng)在同一發(fā)射時(shí)段內(nèi)，相當(dāng)于變壓器的原邊和副邊，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，閱讀器天線系統(tǒng)形成交變磁場(chǎng)，并采用磁耦合的方法，在無(wú)源電子標(biāo)簽的天線系統(tǒng)中形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并以此為電子標(biāo)簽的芯片供給工作電源。天線系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，就直接決定了整個(gè)RFID 系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。在一定的工作頻率與帶寬下，天線的主要功能是通過(guò)形成磁場(chǎng)，在電子標(biāo)簽天線中形成磁通量，無(wú)源電子標(biāo)簽線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為標(biāo)簽芯片供給工作電源，從而在閱讀器與電子標(biāo)簽之間傳送信息。因此天線的性能是整個(gè)系統(tǒng)性能的重要決定因素。而閱讀器天線和電子標(biāo)簽天線之間相互耦合的程度，取決于以下一系列因素：天線的形狀以及物理尺寸、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁力線分布方向和密度、電子標(biāo)簽線圈和閱讀器天線之間的相對(duì)位置（相對(duì)位置不同，閱讀器天線穿過(guò)電子標(biāo)簽線圈磁通量的大小不同）、天線的電感、值、調(diào)諧程度及周?chē)h(huán)境等。

2 近場(chǎng)感應(yīng)耦合RFID天線設(shè)計(jì)理論依據(jù)

2.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度,磁感應(yīng)強(qiáng)度及互感

RFID 閱讀器天線線圈形成的磁場(chǎng)分布、強(qiáng)度和密度，直接決定著閱讀器和無(wú)源電子標(biāo)簽之間的通信距離。在自由空間的近場(chǎng)耦合中，普通環(huán)形天線線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為:

式中：為磁場(chǎng)強(qiáng)度；為電流強(qiáng)度；為匝數(shù)；為天線半徑；為作用距離。

損耗介質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是=e，根據(jù)公式=

考慮到閱讀器和應(yīng)答器的線圈天線是對(duì)齊的，

式中：為電流，為線圈匝數(shù)，為天線半徑邊長(zhǎng)；z為電子標(biāo)簽線圈距離閱讀器天線中心的垂直距離；為真空中的磁導(dǎo)率。

閱讀器天線建立的磁場(chǎng)在應(yīng)答器的線圈天線中感應(yīng)出一個(gè)電壓，電壓值為：

式中為標(biāo)簽線圈中的感應(yīng)電壓，為標(biāo)簽線圈匝數(shù)，為發(fā)射天線與標(biāo)簽線圈之間的互感。

根據(jù)上式可以看出，互感越大，標(biāo)簽線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就越高，因此，互感可以作為衡量發(fā)射天線與標(biāo)簽線圈之間耦合程度的重要指標(biāo)。

2.2 最佳天線直徑

2.3 天線電感值及Q值

環(huán)形天線線圈電感值的物理意義是：在環(huán)形天線中產(chǎn)生的磁通量與線圈回路包圍的電流強(qiáng)度之比。環(huán)形天線的電感計(jì)算方式如下：

環(huán)形線圈電阻為= 2π，其中為線圈匝數(shù)，為線圈半徑，是用于制造線圈導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度電阻，則有環(huán)形線圈電感為：

式中，為線圈長(zhǎng)度。

天線的品質(zhì)因數(shù)也是天線性能的重要決定因素。值越大，天線的輸出能量越高，但過(guò)高的值卻會(huì)嚴(yán)重影響閱讀器的通帶特性。所以在實(shí)際情況中要綜合考慮。在實(shí)際測(cè)量天線線圈值時(shí)，同樣可以使用阻抗分析儀。值的計(jì)算公式如下。

式中，= 2π，為諧振頻率，為天線電阻，為天線電感。

3 RFID天線電磁仿真

3.1 普通環(huán)形RFID天線存在的問(wèn)題

檢測(cè)范圍和面積是RFID 性能的重要指標(biāo)。當(dāng)閱讀器發(fā)射天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)在標(biāo)簽線圈中大量穿過(guò)，產(chǎn)生足夠的磁通量，進(jìn)而產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電子標(biāo)簽芯片才能被激活工作，這意味著，當(dāng)標(biāo)簽線圈相對(duì)于發(fā)射天線的有效面積垂直于發(fā)射天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)候，耦合才能最大化。但在一些應(yīng)用場(chǎng)景下，電子標(biāo)簽的方向往往不能垂直于普通環(huán)形天線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。也就是說(shuō)，普通環(huán)形發(fā)射天線將存在許多零檢測(cè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2 環(huán)形線圈磁場(chǎng)與不同位置角度標(biāo)簽的耦合

3.2 球形RFID天線建模

針對(duì)以上問(wèn)題，并根據(jù)上述天線的設(shè)計(jì)方法，使用NX10.0 建模軟件對(duì)球形天線進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)入ANSYS MAXWELL 建模軟件，如圖3所示。

圖3 4匝雙骨架球形樣式線圈

線圈電感過(guò)大的話，難以選擇適當(dāng)?shù)碾娙菖c其諧振匹配。故在13.56 MHZ 頻率下，電感取值在1.6 uH 左右，根據(jù)相關(guān)公式可得上述線圈面積下匝數(shù)最佳值為4。識(shí)別距離設(shè)定為30 mm，此時(shí)根據(jù)上述公式，環(huán)形線圈最佳半徑>>42 mm，線寬設(shè)置為0.8 mm，線圈厚度為0.035 mm，材料設(shè)置為銅，輸入電流源激勵(lì)1 A。

3.3 球形RFID天線仿真與結(jié)果分析

仿真結(jié)束后，從兩個(gè)平面上觀察設(shè)計(jì)的球形天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

圖4 單線圈所在平面的磁場(chǎng)分布

圖5 單線圈所在平面的磁場(chǎng)分布

接下來(lái)再查看與線圈垂直平面的磁場(chǎng)分布。

圖6 垂直線圈平面磁場(chǎng)分布

圖7 垂直線圈平面磁場(chǎng)分布

接下來(lái)，根據(jù)網(wǎng)上某在售的13.56 MHz RFID 電子標(biāo)簽，建模電子標(biāo)簽線圈直徑為20 mm，將該標(biāo)簽分別置于普通環(huán)形線圈正上方30 mm 與球形天線正上方30 mm，聯(lián)合仿真分析互感M?；ジ蠱仿真結(jié)果值如表1所示。

表1 互感M仿真結(jié)果值

比較上述仿真結(jié)果與圖2可知，對(duì)于普通環(huán)形天線來(lái)說(shuō)，當(dāng)電子標(biāo)簽線圈平行于天線時(shí)方能獲得磁通量，且越靠近天線邊緣，耦合程度越強(qiáng)，但普通環(huán)形天線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)垂直于它的電子標(biāo)簽線圈卻基本毫無(wú)磁通量，從而導(dǎo)致耦合程度為零。而對(duì)于本文設(shè)計(jì)的球形天線來(lái)講，其磁場(chǎng)基本做到了空間上的全方向覆蓋，無(wú)論電子標(biāo)簽線圈相對(duì)于球形天線是何種位置角度，都能通過(guò)天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)獲得足夠的磁通量。最后，球形天線與標(biāo)簽線圈的互感值相比普通環(huán)形天線與標(biāo)簽線圈增大了66%，充分證明球形天線能夠更好與標(biāo)簽線圈耦合。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)LF/HF RFID 系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種用于RFID 應(yīng)用的新型閱讀器球形天線?；诖艌?chǎng)分布將該球形天線與傳統(tǒng)環(huán)形RFID 閱讀器天線進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，球形結(jié)構(gòu)通過(guò)改變磁場(chǎng)分布，最大化了多個(gè)方向平面上標(biāo)簽線圈的與發(fā)射天線的耦合磁通量，從而激活更多不同角度方向的無(wú)源電子標(biāo)簽，提高了RFID的識(shí)別距離和覆蓋面積。