基于电感耦合的近场RFID识别系统设计

李小龙　董进　侯丹宁　丁清晨　王金金　聂雪莲

摘要：该文主要介绍了基于电感耦合的近场RFID识别系统架构;阐述了近场RFID识别系统的基本原理，并推导系统的主要性能参数计算公式，最后，着重给出了近场RFID识别系统阅读器天线设计的要点，并进行了详细的分析，为近场RFID识别系统相关应用提供了思路。

关键词：RFID;阅读器;标签;系统;识别

中图分类号：TP319 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）09-0243-03

1 系统架构设计

基于电感耦合的近场RFID识别系统主要包括标签天线、阅读器、阅读器天线以及含有控制阅读器配套软件的终端四大模块，其系统拓扑图如图1所示。

（1）标签天线模块。标签天线一般由微芯片和标签天线两个部分组成，其成本低且寿命长，作为系统中电子数据的承载设置，通常需要附着于目标物体表面以便标识或跟踪。它不仅可以接收阅读器传输的能量，而且可以与阅读器进行数据传输交换。

（2）阅读器模块。阅读器包含射频单元、控制单元和接口单元。其中，射频单元用于发射和接收识别信号，通常通过滤波器、混频器和放大器等将识别信号进行放大，并输出给阅读器天线;也可以通过低噪放、滤波器、混频器等对从阅读器天线接收来的信号进行预处理，例如，提高信号噪声比、滤除无用信号等。控制单元主要产生系统所需的调制信号，进行模拟信号和数字信号的转换、处理接收信号等。接口单元主要连接终端和阅读器，实现系统通信。

（3）阅读器天线单元。阅读器天线主要用来发射和接收识别信号，在该系统中，一般使用螺旋线圈天线。但在UHF频段，阅读器天线的类型十分丰富，不再局限于环形天线。

（4）含有控制阅读器配套软件的终端单元。一般是指计算机PC，其核心是控制软件。通过该软件，可以调节阅读器的各项设置，如输入功率、测试频段等，获取阅读器天线的性能，最终指导阅读器天线或标签天线的设计。

2 系统工作原理

该系统工作过程主要包括：首先，阅读器通过阅读器天线在天线与标签之间产生较强磁场发送特性频率的信号。其次，标签天线接收到该信号后或者通过与磁场交链产生的感应电流驱动标签芯片工作，激活后的标签芯片通过改变它的输入阻抗调制反向散射信号并向阅读器反馈信号。此外，阅读器通过阅读器天线接收该信号，并解调信号获取标签的电子编号，完成标签的识别。下面着重介绍系统的工作原理：

根据法拉第电磁感应定律，时变的磁场通过闭合回路时会在回路上产生电压，因此，位于阅读器天线近场区域内的标签上会产生感应电动势v，，该电动势的大小可以通过标签形成回路的磁通量的变化求得，对于具有Ntag圈的标签而言：

3 近场RFID识别系统阅读器天线设计

（1）输入阻抗。当阅读器天线的输入阻抗与阅读器内阻共轭匹配时，阅读器天线能够获得最大电流，从而产生最强的磁场。对于一般的阅读器来说，其内阻Z是随着频率的变化而变化的，但是在其工作频段内变化不大且约为50Ω，因此，用于UHF近场RFID系统的阅读器天线的输入阻抗应匹配到50Q，从而保证系统获得良好的识别性能。

（2）工作频率和带宽。针对RFID系统，全球在LF和HF频段已经形成了统一的标准，分别为125/134 KHz和13.56MHz，而随着UHF频段应用的兴起，很多国家都单独为RFID系统划分了对应的应用频段，如表1所示。另外，为了减小系统间的辐射干扰和电磁辐射对人体的伤害，表l中也列出了各个国家对UHF RFID系统的最大等效全向辐射功率。

目前全球的UHF RFID频段，他们均包含在860 MHz - 960MHz频段内。为了使阅读器获得更好的性能.阅读器天线需要较高的辐射效率，因此上述的带宽均是指反射系数（S11）小于一lOdB的带宽，从理论上来说，此时天线的辐射效率达到900-/0。对阅读器天线而言，若其-lOdB的工作带宽能够涵盖860 MHz- 960 MHz频段，这将会使其更具有普适性。

（3）近场磁场强度和识别区域。系统要获得良好识别性能，阅读器天线要在其近场范围内在沿着垂直标签表面（假设标签表面与xoy面平行）的方向产生足够强的磁场分布IHzI，即需要满足IHzI >|Hu|。由于H与标签和阅读器天线之间的距离r成反比，当r大于r_._时，IHzI将会一直小于Hth，从而使系统无法识别标签，这个距离rmax被称为最大识别距离。另外，在高度为r且平行于xoy的平面内，标签在该平面内位置的改变会改变近场磁场与其表面的夹角，从而改变|H.|的大小。平面内磁场IHzI >IHthl的区域我们称之为识别区域，其他区域则称之为识别盲区。不同RFID应用场景下，最大识别距离、识别区域等均有不同的要求，如在门禁、闸机等应用场景下RFID系统只需要较小的识别区域和较近的识别距离，而在仓储管理等应用则需要阅读器天线能够识别较远距离的标签且产生能够覆盖货架的大面积的识别区域。若RFID系统在应用需求外的区域识别出了标签，我们称之为误读。在仿真设计过程中，我们通常仅研究某一高度下平行于xoy面的平面内的IHzI分布，从而来判断所设计的阅读器天线的近场性能。

（4）系統识别性能优化设计。

一是阅读器天线产生的磁场强度B应尽可能的大。由式（1）可知，磁场强度与天线的电流，、圈数Ⅳ和半径α成正比。当天线的圈数和半径固定时，越大的电流产生磁场的强度越强。当阅读器得输入功率一定时，若阅读器的内阻与阅读器天线的输入阻抗共轭匹配（Rt=Rt，Xt=-Xr），电流此时最大为：

另外，值得注意的是磁场强度与距离r的三次方成反比，这意味着随着标签远离阅读器天线表面，磁场强度将会衰减的很快，这将是限制最大识别距离的主要因素。

二是标签获取的功率Pchip。应大于等于其工作的门限功率

其中，Pchip与频率f的平方、标签圈数Ntag的平方、标签有效面积Scos（θ）的平方和磁场强度B的平方成正比。当θ=0度时，有效面积最大且为S，标签表面与阅读器天线产生的磁场相互垂直;当θ=90度，有效面积仅为为0。由此可以看出，磁场在标签所围成区域的法向方向上的分量决定了Pchip的大小。假如标签平行于xoy平面摆放，则仅磁场在Z方向的分量（IHzI）对Pchip有影响。结合标签的门限功率Pth，最终可以获得标签所在位置的磁场在垂直于其平面方向上分量的最小值。此外，当功率一定时，频率与标签的圈数成反比，也就是随着工作频率f上升，标签可以制作得更小。

参考文献：

[1]慈新新，王苏滨，王硕.无线射频识别（RFID）系统技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2] David M.Pozar.微波工程[M].3版，北京：电子工业出版社，2006.

[3]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.

[4]李文勋.基于物联网应用的RFID天线设计技术[D].北京邮电大学，2013.

[5]李文静，一种UHF近场读写器天线[D].北京邮电大学，2014.

【通联编辑：朱宝贵】

基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划2019年立项项目（项目名称：近场RFID识别系统阅读器天线设计，项目编号：201912805012Y）

作者简介：李小龙（1998-），在读学生;董进（1989-），江苏淮安人，助教，主要研究方向为无线通信技术;侯丹宁，在读学生;丁清晨，在读学生;王金金，在读学生;聂雪莲，在读学生。