无线电子标签读写器天线的研究

2011-04-26牛国柱梁海燕

中国测试 2011年3期

牛国柱,梁海燕,孙罡

（南京理工大学，江苏南京 210094）

0 引言

射频识别技术（radio frequency identification，RFID）是20世纪80年代兴起的一种自动识别技术，是一种利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID系统主要由应答器（电子标签）和读写器组成。随着RFID技术的发展，读写器的需求也越来越大。在短距离条件下，低频的RFID系统由于它的信号衰减小、穿透力强、可精确控制工作距离、避免对其他电子产品产生电磁干扰、低功耗等优点，从而被广泛应用[1]。

在RFID应用系统中，读写器天线的设计尤其重要，读写器天线的结构会对RFID系统的读写距离产生影响，反过来，天线的工作频率也决定了天线的尺寸大小等。因此，RFID天线设计的好坏关系到整个RFID系统设计的成功与否，另外将应答器及读写器置于金属环境中也会对RFID系统的读写距离产生影响。该文主要讨论工作在低频段，典型值为125kHz的读写器天线的设计，对读写器天线参数以及金属环境对天线性能的影响进行了分析[2-3]。

1 天线原理

天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转换。根据天线在系统中的不同功能和作用，RFID中的天线可分为标签天线（tag antenna）和读写器天线（reader antenna）。读写器天线用于产生磁通量Φ，而磁通量用于向应答器提供电源并在阅读器和应答器之间传送信息。因此，对读写器天线的构造就有了3个基本要求[1]：

（1）使天线线圈的电流I最大，用于产生最大的磁通量Φ。

（2）功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量。

（3）足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。

2 天线的基本理论

2.1 磁场强度

运动的电荷或电流会产生磁场，磁场的大小用磁场强度H来表示，RFID天线的工作距离与天线线圈电流产生的磁场强度紧密相关。圆形线圈的磁场强度可用式（1）来决定：

式中：N——线圈匝数；

R——天线半径；

x——沿x方向与线圈中心的距离；

I——电流强度。

式（1）的有效边界条件为 d＜＜R 而 x＜λ/2π，其中d为使用的导体的直径，λ为电磁波的波长。

图1给出了3种不同天线在距离为0～10 m下的场强曲线H（x）。在每种情况下，线圈匝数和天线电流均保持不变，区别仅仅是天线的半径R不同。可以看出，在与天线线圈距离很小（x＜R）的情况下，场强基本保持不变，较小的天线在其中心（距离为0）处呈现出较高的场强，而较大的天线在较远的距离（x＞R）处的场强明显较高。

图2给出了在3个不同的距离下（x=10，20，30cm）磁场强度随线圈半径的变化曲线。由图可以看出，当x＜R时，场强H急剧上升；当x=R时，场强H达到最大值；当x＞R时，场强成比例下降[4]。

图1 磁场强度随距离变化曲线

图2 磁场强度随天线半径变化曲线

2.2 谐振理论

对于系统工作在天线近场的频率为125kHz的天线，标签所需的能量是通过电感耦合方式由读写器的耦合线圈辐射近场获得。由于在近场不涉及电磁波传播的问题，天线设计比较简单，一般采用工艺简单的线圈型天线。

式中：L——天线自身的电感值；

C——调谐电容。

可以通过选择适当的线圈和电容，使得谐振频率与阅读器的工作频率相同[5]。

3 天线参数对天线性能的影响

3.1 天线尺寸

读写器天线的尺寸大小是根据读写距离x确定的。天线是用铜制漆包线绕制而成的，天线线圈的直径远大于漆包线的直径，所以天线的电感值可估算为

式中：A——天线线圈内径；

D——漆包线的直径；

N——绕制线圈的匝数。

通过改变线圈的匝数可以调节天线的电感值[6]。

现在选用电感值为735μH的天线，通过改变天线的内部直径，测试天线的读写距离，其中绕制的铜线半径为0.236 mm，结果如表1所示。对表1中数据进行分析可以发现，天线的读写距离大约为天线内部直径的2倍。

表1 天线读写距离随天线内部直径的变化

3.2 品质因数

品质因数Q也是天线设计的一个重要参数，它是指电感在某一频率的交流电压工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻值之比。Q值的计算由天线的电感值和电阻决定：

式中：Rdriνer——驱动电阻，值为3.5Ω；

Ra——电流自适应电阻；

Rcopper——天线线圈的阻值；

Rrf——金属部分边缘电流损耗引起的阻值。Rcopper+Rrf的值可用万用表测得约为6Ω，因此可以通过改变Ra的值来改变Q值[7]。

现在保持天线的电感值为735μH，工作频率为125kHz，通过改变Ra的值来改变Q值，并测试天线的读写距离，结果如表2所示。

3.3 天线电感

表3 天线读写距离随天线电感值的变化

对表3中数据进行分析可以发现，天线电感值对天线的读写距离影响并不大，因此可以根据已有的调谐电容来选择合适的天线电感值，一般推荐值为700μH左右。

4 金属环境对天线性能的影响

天线附近的金属会给天线性能带来负面影响，磁场不能穿透金属等导磁材料，金属物附近磁力线形状会发生改变；而且由于磁场能会在金属表面引起涡流，涡流会产生抵抗激励的磁通量，导致金属表面磁通量大大衰减，读写器天线发出的能量被金属吸收，读写距离就会大大减小。

通过实验来具体测试在不同金属环境下天线的读写距离，选用电感值为735μH，内部直径为1.2cm，工作频率为125kHz的天线。

（1）测试在读写器及天线距离金属板不同距离下的天线读写距离，安装方式如图3所示，天线固定在读写器的正面，金属板为不锈钢金属[8]，测试结果如表4所示。

（2）将读写器及天线分别安装于不锈钢金属和铝金属支架上测试天线的读写距离，其中垫高距离都为3mm[9]，测试结果如表5所示。

图3 天线安装示意图

表4 在不同垫高距离下天线的读写距离

表5 不同金属材料下天线的读写距离

图4 安装金属板不同开孔直径下天线的读写距离

（3）将读写器及天线分别安装于不同开孔大小的不锈钢金属板上，垫高距离都为3 mm，测试结果如图4所示。

由图4可以看出，金属板开孔大小对天线读写距离的影响并不大。因此，在实际环境中可由其他条件来决定开孔的大小。

（4）应答器的安装方式也对读写器天线的读写距离产生影响。一般来说，应答器要安装在金属箱上，如果把应答器直接贴在金属表面，会干涉读写器和应答器形成的交变磁场，使得读写距离大大减小，因此一般采用开孔的安装方式[10]。应答器安装金属板开孔大小对读写器工作距离的影响，测试结果如图5所示。

图5 应答器安装孔不同直径下天线的读写距离

由图5可以看出，当金属板开孔直径达到15mm，天线的读写距离不再变化。

5 结束语

介绍了RFID天线的理论基础，通过对比实验总结了天线的主要参数（天线的尺寸、品质因数、电感值）以及金属环境对天线性能的影响，并给出了相应的关系：天线的读写距离大约为天线内部直径的2倍；品质因数的大小最好在13～20之间；最佳电感值为700 μH；读写器与金属板的距离、金属材料以及应答器安装孔的大小会对天线的性能产生影响。

可通过以下4种方法来提高天线的性能：

（1）天线读写距离大约为天线内部直径的2倍，在允许的条件下，尽可能选用大尺寸的天线；

（2）选择合适的Q值，既不能太大也不能过小，一般来说，Q值选择20；

（3）读写器天线应尽可能远离金属，如不能避免在金属环境中，应选择垫高安装；

（4）应答器采用内嵌的安装方式，且金属板开孔直径大于15mm。

[1] Finkenzeller K.射频识别（RFID）技术[M].2版.陈大才,译.北京：电子工业出版社，2008.

[2] 杨振野.IC卡技术及其应用[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 张贵艳，张明扬.远距离RFID读写天线的研究[J].电子设计工程，2009，17（10）：18-19.

[4] 姚平，黄健，刘殿金，等.RFID系统天线设计[J].电子技术，2009（21）：164-166.

[5] 刘殿金.自助式机器机柜监控模块设计[D].南京：南京理工大学，2009.

[6] 纪震，李慧慧，姜来.电子标签原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[7] 黄健.DSRC-ETC系统射频发射电路与RFID天线设计[D].南京：南京理工大学，2009.