无源高频RFID系统天线的设计

无源高频RFID系统读写器天线的设计李宝山（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010）摘要:基于无源电感耦合RFID系统的工作模式，推导出高频段读写器近场小环形天线的磁感应强度和天线端电压的算法，提出一种天线的设计方法，并对其主要参数的选定、工作性能受工作环境的影响等问题进行了分析。工作在不同频段的RFID系统，由于工作条件的差异，其天线的等效模型和设计方法不尽相同。所提出的高频读写器天线的设计方法简便、有效，适于读些距离小于1米的应用环境，可作为工程设计的参考依据。关键字： 射频识别；读写器；小环形天线；设计中文分类号：TN927+.2 文献标识码AThedesignforhigh-frequencyreaderantennaonpassiveinductiveRFIDLIBaoshanInformationEngineeringSchool,USTInnerMongolia,BaotouInnerMongolia014010Abstract:BasedontheworkmodelofinductivelycouplingpassiveRFIDsystems,Analgorithmofmagneticfluxdensityandantennaterminalvoltagefornear-fieldantennasmallannularofhighfrequencyreaderwasderived.Anantennadesignmethodwaspresented.Thispaperanalyseitsmainparametersselectedandtheperformancebytheworkingenvironmentandotherissuesaffecting.Asaresultofdifferencesinconditions,theantennaequivalentmodelanddesignmethodsofRFIDsystemsofworkinginthedifferentbandvary.Thishigh-frequencyreaderantennadesignmethodissimpleandeffectiveandsuitableforreadingmorethanameterawayfromtheapplicationenvironment.Itcanbeusedtodesignthereference.Keywords:RFID；reader；near-fieldantennasmallannular；design0引言射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）技术是从20世纪80年代兴起并逐渐走向成熟的一项跨学科的综合应用技术。射频识别是利用无线电波对记录媒体进行无接触读写，射频识别的距离由几厘米至几十米，且根据读、写的要求，可输入数千字节的信息，同时还具有极高的保密性。该系统广泛应用于交通管理中的自动收费和车辆自动识别、门禁控制、物流跟踪识别、各种消费卡及智能身份证等领域。无源射频识别系统一般由应答器（智能卡或电子标签），读写器（基站）以及数据交换、管理应用系统等组成。射频识别系统的数据存储在应答器中，其能量供应以及与阅读器之间的数据交换是由各自天线通过电磁波的无线传输实现的。读写器的天线在标签供电和信息传输中起着关键作用，因此研究天线设计有着重要意义。射频识别系统种类繁多，按工作频率分为中低频、高频、甚高频、微波等波段，绝大多数的射频识别系统依据电感耦合原理进行工作。本文主要讨论工作在高频段，典型值如13.56MHz无源射频识别系统读写器天线的计方^K°1RFID系统天线模型及参数计算在高频段，由于工作电磁波的波长远大于识别距离，读写器和应答器之间可等效为变压

器耦合方式，与读写器相连接的天线相当于变压器模型中的初级线圈，标签上的天线相当于次级线圈。应用于该波段的天线以小型环形天线为最佳选择。小型环形天线是指天线的周长小于波长的四分之一。大型环形天线因为尺寸比较大，所以电流在圆环上的分布变化较大，而小型环形天线电流的分布基本是一致的。为了推导在次级线圈感应的能量，须先给出环形天线在近场下的磁场公式。可采用毕奥--沙伐定律得出近似的小型环形天线的磁场公式。毕奥--沙伐定律直接将产生的磁感应强度B和电流I的分布相联系。如图1为小型环形天线的磁场分布示意图。图1：载流圆线圈轴线上的磁场假定有均匀电流流过单匝的线圈，由毕奥--沙伐定律：各电流元的磁场方向不同，可分解为dB^和dB^，由于圆电流具有对称性，其电流元的d皿逐对抵消，所以P点磁感应强度的大小为：B=JdB=JdBsin0=%J虬sin0=*o'皿'2兀R (2)l口l 4兀lr2 4兀r2式中*=4兀x10-7%=4nIO-7亨利/米。当空间点到天线的距离和天线半径接近时:r=(当空间点到天线的距离和天线半径接近时:r=(R2+X2)2R,sin0=r对于N匝线圈来说，可计算出沿线圈轴(X轴)方向某点的磁场强度:N*IR2B=2(r2:X2*式(3)是基于近场下小环形天线的磁场公式，该公式给出了在一定距离上的最大能量，从而也提供了最大响应距离。对于给定的变压器模型，当磁场稳定不变时，通过一定面积s2的互感磁通量为：。=血B.OdS=*HScosW (4)其中w是磁力线和表面法线的夹角。互感L12可用互感磁通量来表示：L12=N2匕

TOC\o"1-5"\h\z在线圈2上产生的互感电压：匕2=-N2以=刃N2%2 ⑸由楞次定律，在次级线圈上将感应出一个电流I2来阻止磁通量的变化，线圈2上产生的自感电压：V=-L虬=加LI (6)2^2 2dt 22读写器天线属于单圈发射小型环形天线，自感可近似表示为：.8R)In——ka式中R是线圈半径，a是导线的半径，并且a<<R天线的效率取决于辐射电阻和损耗电阻。一般来说，单圈小环天线的损耗电阻比其辐射电阻大得多，因此，辐射效率低，且与损耗电阻有关。通常为提高效率而使用多圈圆环天线。射频标签天线属于多圈接收小环天线，其自感：-1.75(8).8R-1.75(8)In——ka次级线圈天线自身欧姆电阻产生一个附加的压降Vrl2=12Rl2，另外，N匝小型环形天线自身损耗电阻由下式给出：NRRs(9)NRRs(9)其中：心=\:京，为导体的表面电阻，土为由邻近效应产生的欧姆电阻，R0=%为单位长度肌肤效应电阻，a为导线导电率，p0=4兀x10-7亨利/米，R为天线半径，a是导线的半径。将互感产生电压减去自身电感产生电压和自身欧姆电阻产生的压降，就得出了次级线圈两端的电压值，即：V2=-2-七2-VRL,，将七2、11、、代入TOC\o"1-5"\h\zV=j①NpHScosV-I(j①L+R) (10)2 2012 2 2 L2相同的关系式由次级线圈在初级线圈产生的电压表达式为:V=j①NpHScosV-I(j①L+R) (11)1 1021 1 1 L1由式(10)可以看出，标签天线两端的电压由读写器天线发射的磁场、射频标签天线自身参数和射频标签内部电路消耗的电流共同决定。当读写器天线发射功率一定时，某点的磁场强度就决定于该点与读写器天线的距离，为了获得较大的能量，射频标签越靠近读卡器天线效果就越好；而在特定的距离，要获得尽可能大的能量供应射频标签内部电路工作，标签天线的设计应该尽量减小天线自身欧姆电阻阻^°。另外射频标签为7获得较远的"距离，标签内部电路应该尽量降低消耗电流12,所以要求设计低功耗电路以实现较远的工作距离。2天线的设计2.1读写距离对于单个500mmx500mm的天线，当输出功率为800mW的时候，读卡距离可以达到500mm。而对于利用双天线的读卡器，其读卡距离可以覆盖大约lm的范围。一般情况下，输出功率和天线外形尺寸均影响着读卡距离的远近。在设计读写器时，为了达到较远的读写距离，尽量提高读写器的输出功率和天线的尺寸。另外，对标签进行写操作的有效距离一般为读操作有效距离的70%左右。电子标签的方向性由于无源电子标签是通过和读卡器天线通过磁场耦合来获得能量，所以标签的方向性直接影响到耦合系数，进而影响到能量的获取和通信的可靠性。当标签的方向性达到最优，即和读卡器天线处于最佳耦合时，磁力线与电子标签成直角，电子标签面对天线，能获得最好的读写效果。但是，如果将电子标签移动到天线的两侧，这时标签的放置位置和磁力线的方向平行，即此时的方向性最差，读写效果也最差。天线尺寸场强是表征读写器输出功率的一个重要因素。ISO/IEC15693协议中规定，为了实现对标签的正常操作所必须的场强为100mA/m。不同尺寸的天线，其磁场强度不同。实验表明小型天线附近的磁场强度要大于大型天线附近的场强，而当距离天线逐渐远的时候，小型天线的场强就会比大型天线降得更快。当天线距离大于1m时，场强将会很小。2.4天线的品质因数天线的性能与天线的品质因数密切相关。通常对于尺寸一定的天线，Q值越高，输出的功率就越大。但是过高的Q值又与读写器的带宽相冲突。所以，为读写器天线选择合适的品质因数很重要，Q值既不能过大使信号带宽过窄少，也不宜太小影响标签的能量供应。图2天线的Q值与带宽的关系根据数据传输速率和所使用的编码、调制方式，可计算出所需要的大致带宽B^。国际标准ISO14443规定的近耦合IC卡系统使用ASK调制方式，由经验法则可用以计算ASK调制系统的带宽：BxT=1 (12)其中T为载波系统在调制时的接通时间。在ISO/IEC15693协议中规定的两种副载波频率均在400kHz左右，所以要求天线带宽必须大于1MHz。在图2中标出了天线品质因数和3dB带宽的关系，而且指出了两个副载

波频率点，可以看出当天线负载为50Q时(即读写器输出阻抗)，Q值应当选为30或更低。天线初步设计完成后，可以通过使用频谱分析仪测量天线品质因数得到天线的带宽。如果天线带宽不符合要求，需要通过加并联电阻的办法进行调整，电阻值为：R= (13)1 1其中：设天线的谐振电阻为Rpar理想的品质因数为其中：设天线的谐振电阻为Rpar理想的品质因数为QrequiredRpar-2nfQrequired响应天线的阻抗为利用频谱分析仪实测的天线品质因数为Q响应天线的阻抗为antennaRantennaffantenna2.5天线匹配网络设计在天线的设计过程中，必须使天线的输入阻抗和同轴电缆的阻抗(50Q)相匹配，所以在天线设计完成后，需要使用匹配网络进行阻抗匹配。常用的匹配网络有变压器匹配网络、Gamma匹配网络、电容匹配网络。图3电路为常用的天线电容匹配网路示意图。图中将电缆线的标准阻抗RL通过两个串联的电容C1和C2，与天线L进行匹配。图3电容匹配电路回路谐振角频率为：打尧=了— (14)“ 12C1+C22.6 环境对天线性能的影响读写器和标签所使用的工作频率受限于政府无线电波管理的相关规定，以避免和其它系统的相互干扰；读写器天线所处的周围环境如有电噪声，通常会影响读写器接收性能并减小读写器的读写距离，对读写器天线的朝向稍作改动，或外加接地和屏蔽可以减小其影响；电感耦合式射频识别系统的读写器天线附近的金属会给天线性能带来负而影响，磁场不能穿透金属或其他导磁材料，金属物的出现会改变读写器天线附近磁力线的形状，导致金属表而磁通量衰减，读写器天线发出的能量被金属吸收，读写距离减小，所以金属物体要尽量远离读写器天线至少也应在工作距离之外；临近其它天线的存在，由于相互电磁感应的原因，将对彼此的性能产生负面影响。3结束语工作在不同频段的RFID系统，由于工作条件的差异，其天线的等效模型和设计方法不尽相同，本文提出的高频读写器天线的设计方法，兼顾了其理论要求和实际环境，具有一定的实践指导意义。参考文献FINKENZELLERK.射频识别技术[M