针对多角度方向标签检测的球形RFID天线

冯星皓

（四川大学电子信息学院，成都 610065）

0 引言

射频识别信息技术（radio frequency identification，RFID）是自动识别信息技术的一部分，运用无线射频技术方法实现非接触式双向进行数据通信，对目标对象加以识别并提取相应数据。阅读器和电子标签是RFID 射频识别系统的核心组成部分，阅读器和电子标签通常距离间隔在几厘米到几米之间，当使用无源电子标签时，阅读器发出无线射频信号产生交变磁场，电子标签在阅读器天线产生的交变磁场中受到激活工作。电子标签激活后，标签芯片再通过其自身的天线发射出反射信号，由于天线具有互易性，此时阅读器天线成为接收天线，从而能够读出在电子标签内存储的信息内容，进一步确定了电子标签保存的物品、人或者器具的身份信息。目前RFID 无线射频技术已经在公交、地铁、学校、社会保障系统等国内外各种领域中广泛应用开来。然而，基于阅读器和标签天线之间的磁互耦的射频链路（通常是环形天线）的改进仍然是系统的一个复杂挑战。检测范围和面积是RFID 系统性能的重要评估因素。当标签线圈产生足够的电力供应时候，RFID 标签芯片才能正常工作，所以发射天线产生的磁场与标签线圈的耦合程度极为重要。

RFID 天线系统包括阅读器天线系统和标签天线系统。在LF/HF 的RFID 体系中，电子标签和识读器之间通过电感耦合方法实现电能传输和交流。但是基于电感耦合的功率传输效率较低，并且随着距离的增加而呈指数下降。这是由于线圈之间没有共同的磁芯来限制和引导大部分磁通量。因此，WPT 的线圈通常是松耦合的。为进一步提高功率传递效率和传播范围，在发射器与接收机的线圈在相同频率相互谐振的情形下，通过使用不同的线圈的几何形式，阅读器的天线线圈产生各种不同形式的高频磁场分布，优秀的磁场分布可以使得穿过电子标签线圈的磁通量大大增加，使得处在阅读器天线产生的磁场中的电子标签线圈上形成更大的感应电流，提高初级线圈和次级线圈之间的功率传输效率。

1 近场感应耦合RFID天线工作原理

LF/HF 频段RFID 系统发射天线与标签线圈天线之间采用磁感应耦合，原理如图1所示。

图1 阅读器和应答器之间的感应耦合

RFID 射频识别阅读器天线的主要作用是发射阅读器中前端射频模块产生的射频能量,并接收来自电子标签的返回信号。在LF（通常为125 KHZ）和HF（通常为13.56 MHZ）的固定频段下，由阅读器天线系统发出前端射频模块所形成的射频信息。在采用无源电子标签技术时，由于阅读器天线系统和电子标签天线系统在同一发射时段内，相当于变压器的原边和副边，根据法拉第电磁感应定律，阅读器天线系统形成交变磁场，并采用磁耦合的方法，在无源电子标签的天线系统中形成感应电动势，并以此为电子标签的芯片供给工作电源。天线系统性能的优劣，就直接决定了整个RFID 系统的性能表现。在一定的工作频率与带宽下，天线的主要功能是通过形成磁场，在电子标签天线中形成磁通量，无源电子标签线圈产生感应电动势，该感应电动势为标签芯片供给工作电源，从而在阅读器与电子标签之间传送信息。因此天线的性能是整个系统性能的重要决定因素。而阅读器天线和电子标签天线之间相互耦合的程度，取决于以下一系列因素：天线的形状以及物理尺寸、磁场强度、磁力线分布方向和密度、电子标签线圈和阅读器天线之间的相对位置（相对位置不同，阅读器天线穿过电子标签线圈磁通量的大小不同）、天线的电感、值、调谐程度及周围环境等。

2 近场感应耦合RFID天线设计理论依据

2.1 磁场强度,磁感应强度及互感

RFID 阅读器天线线圈形成的磁场分布、强度和密度，直接决定着阅读器和无源电子标签之间的通信距离。在自由空间的近场耦合中，普通环形天线线圈产生的磁场强度为:

式中：为磁场强度；为电流强度；为匝数；为天线半径；为作用距离。

损耗介质的磁场强度是=e，根据公式=

考虑到阅读器和应答器的线圈天线是对齐的，

式中：为电流，为线圈匝数，为天线半径边长；z为电子标签线圈距离阅读器天线中心的垂直距离；为真空中的磁导率。

阅读器天线建立的磁场在应答器的线圈天线中感应出一个电压，电压值为：

式中为标签线圈中的感应电压，为标签线圈匝数，为发射天线与标签线圈之间的互感。

根据上式可以看出，互感越大，标签线圈中产生的感应电压就越高，因此，互感可以作为衡量发射天线与标签线圈之间耦合程度的重要指标。

2.2 最佳天线直径

2.3 天线电感值及Q值

环形天线线圈电感值的物理意义是：在环形天线中产生的磁通量与线圈回路包围的电流强度之比。环形天线的电感计算方式如下：

环形线圈电阻为= 2π，其中为线圈匝数，为线圈半径，是用于制造线圈导线的单位长度电阻，则有环形线圈电感为：

式中，为线圈长度。

天线的品质因数也是天线性能的重要决定因素。值越大，天线的输出能量越高，但过高的值却会严重影响阅读器的通带特性。所以在实际情况中要综合考虑。在实际测量天线线圈值时，同样可以使用阻抗分析仪。值的计算公式如下。

式中，= 2π，为谐振频率，为天线电阻，为天线电感。

3 RFID天线电磁仿真

3.1 普通环形RFID天线存在的问题

检测范围和面积是RFID 性能的重要指标。当阅读器发射天线产生的磁场在标签线圈中大量穿过，产生足够的磁通量，进而产生足够大的感应电动势，电子标签芯片才能被激活工作，这意味着，当标签线圈相对于发射天线的有效面积垂直于发射天线产生的磁场时候，耦合才能最大化。但在一些应用场景下，电子标签的方向往往不能垂直于普通环形天线所产生的磁场。也就是说，普通环形发射天线将存在许多零检测区域，如图2所示。

图2 环形线圈磁场与不同位置角度标签的耦合

3.2 球形RFID天线建模

针对以上问题，并根据上述天线的设计方法，使用NX10.0 建模软件对球形天线进行建模，并将其导入ANSYS MAXWELL 建模软件，如图3所示。

图3 4匝双骨架球形样式线圈

线圈电感过大的话，难以选择适当的电容与其谐振匹配。故在13.56 MHZ 频率下，电感取值在1.6 uH 左右，根据相关公式可得上述线圈面积下匝数最佳值为4。识别距离设定为30 mm，此时根据上述公式，环形线圈最佳半径>>42 mm，线宽设置为0.8 mm，线圈厚度为0.035 mm，材料设置为铜，输入电流源激励1 A。

3.3 球形RFID天线仿真与结果分析

仿真结束后，从两个平面上观察设计的球形天线产生的磁场。

图4 单线圈所在平面的磁场分布

图5 单线圈所在平面的磁场分布

接下来再查看与线圈垂直平面的磁场分布。

图6 垂直线圈平面磁场分布

图7 垂直线圈平面磁场分布

接下来，根据网上某在售的13.56 MHz RFID 电子标签，建模电子标签线圈直径为20 mm，将该标签分别置于普通环形线圈正上方30 mm 与球形天线正上方30 mm，联合仿真分析互感M。互感M仿真结果值如表1所示。

表1 互感M仿真结果值

比较上述仿真结果与图2可知，对于普通环形天线来说，当电子标签线圈平行于天线时方能获得磁通量，且越靠近天线边缘，耦合程度越强，但普通环形天线所产生的磁场对垂直于它的电子标签线圈却基本毫无磁通量，从而导致耦合程度为零。而对于本文设计的球形天线来讲，其磁场基本做到了空间上的全方向覆盖，无论电子标签线圈相对于球形天线是何种位置角度，都能通过天线产生的磁场获得足够的磁通量。最后，球形天线与标签线圈的互感值相比普通环形天线与标签线圈增大了66%，充分证明球形天线能够更好与标签线圈耦合。

4 结语

本文根据LF/HF RFID 系统的工作原理，设计了一种用于RFID 应用的新型阅读器球形天线。基于磁场分布将该球形天线与传统环形RFID 阅读器天线进行了比较。仿真结果表明，球形结构通过改变磁场分布，最大化了多个方向平面上标签线圈的与发射天线的耦合磁通量，从而激活更多不同角度方向的无源电子标签，提高了RFID的识别距离和覆盖面积。